Санкт-Петербургский морской технический университет
факультет морского приборостроения
РЕФЕРАТ
Тема: Измерение угловых координат цели ГЛС.
Структурные схемы пеленгаторов ГЛС.
Разрешающая способность ГЛС по угловым координатам.
Содержание
Введение .
2
Краткие сведения из истории развития ГАС ..
3
1. Назначение и принцип действия ГЛС .
4
1.1. Назначение ГЛС .....
4
1.2. Обнаружение целей ...
4
1.3. Измерение дальности до цели ..
5
1.4. Измерение радиальной скорости цели .
5
2. Измерение угловых координат цели ...
6
3. Разрешающая способность ГЛС ......
11
3.1. Классификация целей ........
13
4. Параметры ГЛС .....
13
4.1. Тактические и технические параметры ГЛС ...
13
4.2. Дальность действия ...
14
4.3. Точность определения дальности .
14
4.4. Разрешающая способность по дальности
15
4.5. Точность измерения угловых координат и разрешающая способность по угловым координатам ...
16
4.6. Минимальная дальность действия ...
17
5. Структурные схемы ГЛС .....................
18
5.1. Структурная схема ГЛС шагового поиска ..
18
5.2. Структурная схема ГЛС шагового поиска ..
18
5.3. ГЛС кругового обзора .......................
21
Заключение ....
25
Список используемой литературы .......
26
Введение
Основные определения. Гидролокация это область гидроакустики, обеспечивающая наблюдение различных подводных объектов путем использования отраженных ими акустических волн либо собственного их излучения (слово «локация» происходит от латинского locatio размещение, расположение).
Информация, полученная в процессе подводного наблюдения, называется гидролокационной. Технические средства, обеспечивающие получение гидролокационной информации, называются гидроакустическими станциями (ГАС).
Объекты подводного наблюдения именуются гидролокационными целями или просто целями. При использовании отраженных акустических волн (эхо-сигналов) целями являются любые подводные объекты искусственного и естественного происхождения, отражающие или рассеивающие акустические волны (подводные лодки, морские животные и рыбы, подводная часть судна и айсберга и т. д.).
Источником гидролокационной информации является гидроакустический сигнал. В зависимости от способа его получения различают следующие виды гидролокационного наблюдения:
Гидролокационное наблюдение, основанное на том, что зондирующие сигналы, излучаемые ГАС, отражаются от цели и попадают в приемное устройство в виде эхо-сигнала. Такой вид наблюдения называется активной гидролокацией. Гидроакустические станции, обеспечивающие активную гидролокацию, называются гидролокационными станциями (ГЛС). К средствам активной гидролокации относятся также средства телеуправления подводными объектами и станции ретрансляции.
Гидролокационное наблюдение, основанное на приеме собственного излучения целей. Этот вид наблюдения называется пассивной гидролокацией. Гидроакустические станции, обеспечивающие пассивную гидролокацию, называются шумопеленгаторными станциями (ШПС). К средствам пассивной гидролокации относятся также устройства приема и обработки сигналов гидроакустической связи и телеметрии.
ГАС решают следующие задачи подводного наблюдения: обнаружение, измерение, разрешение и классификацию целей.
Обнаружением называется процесс принятия решения о наличии целей с допустимой вероятностью ошибочного решения.
Измерение позволяет оценить координаты целей и параметры их движения с допустимыми погрешностями.
Разрешение заключается в выполнении задач обнаружения и измерения координат одной цели при наличии других, близких по дальности, угловым координатам и скорости.
Классификация дает возможность установить некоторые характерные признаки цели: точечная она или групповая, движущаяся или неподвижная и т. д.
Краткие сведения из истории развития ГАС
Впервые в мире принципы эхо-локации были разработаны и проверены в 1807 г. акад. Я. Д. Захаровым. Он определил высоту подъема воздушного шара путем измерения промежутка времени между посылкой акустического сигнала на землю и приемом отраженного эхо-сигнала.
Первое практическое применение гидролокации относится к концу прошлого века. Для безопасности кораблевождения в туман ную погоду стали применять подводную звуковую сигнализацию. Звук подводного колокола был слышен на значительно большем расстоянии, чем звук колокола, установленного на берегу.
Перед первой мировой войной в военных флотах многих государств появились первые подводные лодки. Однако, даже находясь на перископной глубине, эти подводные лодки наполовину лишались связи с внешним миром, а опустив перископ, они вовсе становились слепыми. Лишенная возможности обнаружить противника, подводная лодка была малоэффективной. Но оснащение простейшей «гидрофонической станцией» для подводного телеграфирования позволило подводной лодке при погружении на глубину собирать информацию о противнике от взаимодействующих с ней надводных кораблей.
Следующее поколение подводных лодок получило специальный прибор для прослушивания подводных звуков шумопеленгатор. Появление шумопеленгаторов дало подводной лодке возможность ориентироваться в звуковом подводном мире.
Дальнейшим этапом в развитии гидроакустической аппаратуры явилось создание нового гидроакустического устройства гидролокатора. Изобрел это устройство наш соотечественник талантливый инженер К. В. Шиловский. В 1916 г. во Франции К. В. Шиловский и Поль Ланжевен получили совместный патент на «Описание аппаратов и способов их применения для локализации подводных препятствий».
В развитии советской гидролокации большую роль сыграл профессор Военно-морской академии Б. Н. Кудревич. По его инициативе была создана научно-исследовательская лаборатория по разработке и проектированию гидроакустических приборов, научное руководство которой было возложено на В. Н. Тюлина одного из основоположников советской гидроакустики. В начале 30-х годов В. Н. Тюлин решает важнейшую проблему создания первого советского эхолота. Опытный образец этой установки он разработал сам, начиная с расчетов и чертежей и кончая всесторонними испытаниями на пароходе «Малыгин» и ледоколе «Ермак» в Арктике.
Особенно большие успехи в создании гидроакустической техники были достигнуты в период после второй мировой войны. Широкое развитие получила теория распространения волн в океанической среде. Здесь в первую очередь должны быть отмечены работы акад. Л. М. Бреховских и д-ра техн. наук Л. Я. Гутина.
1. Назначение и принцип действия ГЛС
1.1. Назначение ГЛС.
ГЛС является техническим средством получения гидролокационной информации. Процесс получения информации делится на следующие этапы: 1) обнаружение целей; 2) измерение координат и параметров движения целей; 3) разрешение; 4) классификация целей.
Рассмотрим основные принципы реализации задач каждого этапа получения гидролокационной информации.
1.2. Обнаружение целей.
Обнаружение целей производится с помощью приемного устройства ГЛС. Для оптимального обнаружения целей в приемном устройстве должны выполняться следующие операции:
умножение входного напряжения сигнала Uвх(t) на опорное напряжение Uоп(t), являющееся копией излученных ГЛС сигналов;
интегрирование полученного произведения за время существования эхо-сигнала (эх: определяется интеграл вида:
13 EMBED Equation.3 1415,
где Uвх(t)=aU(t) = aU(t) + Uп(t) сумма напряжений эхо-сигнала и помехи (при a = a0 = 0 эхо-сигнал на входе оптимального приемного устройства отсутствует, а при а=а1=1 присутствует); Uоп(t) = k1a1u(t) копия излученного сигнала ГЛС.
сравнение выходного напряжения интегратора Uвых = k2 13 EMBED Equation.3 1415 c некоторым постоянным напряжением, именуемым пороговым Uпор при Uвых > Uпор принимается решение о наличии цели; при Uвых < Uпор считают, что цели нет. Упрощенная структурная схема оптимального приемного устройства (ОПУ) показана на рисунке 1:
Рис. 1 Упрощенная структурная схема
оптимального приемного устройства.
1.3. Измерение дальности до цели.
Существуют три метода измерения дальности до цели в однородной среде: фазовый, частотный и импульсный.
Фазовый метод основан на том, что разность фаз излученного сигнала и эхо-сигнала пропорциональна времени запаздывания
Полученные выражения позволяют проградуировать шкалу измерителя непосредственно в единицах дальности.
Фазовый метод дает малую ошибку измерения, но с его помощью можно измерить дальность только до одной цели.
Частотный метод измерения дальности до цели основан на принципе измерения частоты биения колебаний излучаемого сигнала и эхо-сигнала. В ГЛС с частотным методом измерения дальности излучаемый сигнал представляет собой непрерывный частотно-модулированный сигнал. Закон модуляции частоты синусоидальный или пилообразный.
Частотный метод измерения дальности до цели, как и фазовый, дает малые ошибки измерения, но позволяет измерять дальность только до одной цели.
Импульсный метод измерения дальности до цели основан на измерении времени запаздывания эхо-сигнала tз относительно момента излучения импульса излучения. Дальность до цели r= сtз/2.
В ГЛС наиболее широко применяется импульсный метод измерения дальности до цели, так как техническая реализация этого метода наиболее проста и, кроме того, с его помощью можно измерять дальность до многих целей.
1.4. Измерение радиальной скорости цели.
Измерение радиальной скорости цели можно производить как в импульсном, так и в непрерывном режиме работы ГЛС.
При отражении сигнала от движущейся цели несущая частота сигнала изменяется на величину доплеровского смещения Fд = 2f0Ur/c, где Ur – радиальная скорость цели. Отсюда:
13 EMBED Equation.3 1415 (1.1)
Определив доплеровское смещение частоты, можно найти радиальную скорость цели.
2. Измерение угловых координат цели
Наиболее важной задачей, решаемой многими ГЛС, является измерение угловых координат цели, которое основано на определении направления прихода акустических волн, отраженных целью. При этом предполагается, что акустические волны распространяются вдоль прямой линии, соединяющей ГЛС с целью. Определение направления прихода акустических волн называется гидроакустическим пеленгованием.
Известны следующие методы гидроакустического пеленгования: максимальный, метод сравнения (равносигнальный) и фазовый.
Первые два метода пеленгования основаны на использовании направленных свойств акустических антенн. При изменении угла направления прихода акустических волн ( электрическое напряжение на выходе направленной акустической антенны изменяется согласно уравнению
Uc=Uc max R(пр (2.1)
где Uc max максимальное напряжение, получаемое в направлении источника звука; R(пр характеристика направленности приемной акустической антенны.
Если передающая и приемная антенны являются направленными и имеют одинаковые характеристики направленности, то
Uc=Uc max R(() (2.2)
Где R(() = Rизл(() Rпр(() произведение характеристик направленности излучающей и приемной антенн.
Изменяя тем или иным способом положение характеристики направленности (ХН) акустической антенны, можно добиться того, что она будет направлена на отражающий объект цель (рис. 2, а). Напряжение на выходе акустической антенны при этом достигнет максимального значения. При максимальном напряжении на выходе антенны производится отсчет угловой координаты цели (0 (рис. 2, б).
Рис. 2. Иллюстрация принципа пеленгования максимальным методом (а)
и характеристика пеленгования (б).
Существуют следующие способы, реализующие максимальный метод пеленгования:
формируется одна ХН антенны, которая перемещается в заданном секторе пространства с помощью поворота акустической антенны;
формируется одна ХН антенны, которая перемещается в заданном секторе пространства искусственными методами при неподвижной антенне;
формируется веер ХН, каждая из которых сканируется искусственными методами в отведенном для нее секторе;
формируется веер неподвижных ХН, пересекающихся в пространстве на уровне 3 дБ; определение угловых координат целив этом случае сводится к определению номера ХН, в зоне обзора которой находится цель.
Возвратимся к равенству (1.3). Как уже отмечалось, при использовании максимального метода пеленгования направление на цель определяется по максимуму напряжения на выходе акустической антенны. Предположим, что в интервале углов по уровню 0,5 ХН по мощности полезный сигнал имеет необходимое для уверенного наблюдения превышение над уровнем помех. Изменение наблюдаемого сигнала для малых углов (см. рис. 2, б) можно представить в виде:
13 EMBED Equation.3 1415 2.3
где 13 EMBED Equation.3 1415 напряжение на выходе антенны при угле, равном (0; 13 EMBED Equation.3 1415 напряжение на выходе антенны при изменении угла на малую величину ((min.
Величина ( = |(Uc min/Uc max| называется пеленгационной чувствительностью.
Формулу (2.3) можно упростить, если принять за начало отсчета (0 = 0 и положить Uc max = 1.
Согласно этим предположениям и формуле (2.2),
( = |1-R( (((min)| (2.4)
Разлагая функцию R( (((min) в ряд Тейлора и пренебрегая членами, порядок которых выше второго, получаем
R( (((min) ( R( (0) + R(( (0) ((min + Ѕ R(( (0) ((2min
Так как R( (0) = 1 и R(( (0) = 0, то
( = Ѕ R(( (((min ,
a ((min соответственно равно
13 EMBED Equation.3 1415, (2.5)
Где, ( - заданное значение пеленгационной чувствительности.
ХН акустической антенны по мощности хорошо аппроксимируется функцией:
13 EMBED Equation.3 1415, (2.6)
где ( угол, отсчитываемый в одну сторону от максимума, а (0,5 - ширина ХН по уровню 0,5, отсчитываемая в обе стороны от максимума.
Найдем первую и вторую производные R( (0) по углу ((:
13 EMBED Equation.3 1415 ;
13 EMBED Equation.3 1415 ,
Таким образом, |R(((0)| = 5,6/(20,5 и из (2.6) получаем
13 EMBED Equation.3 1415 (2.7)
Выбор значения (( определяется условиями работы ГЛС. При работе гидроакустика с визуальным индикатором принято считать, что ( 0,05(0,15, а при работе со слуховым индикатором ( ( 0,2.
Максимальный метод пеленгования имеет незначительную точность. Так, например, при работе гидроакустика со слуховым индикатором ((0,5=20°) имеем ((min = 0,6 (2 20 = 5°21(, а при работе с визуальным индикатором при той же ширине ХН ((min = 3°48(.
Рис.3 Иллюстрация принципа пеленгования методом сравнения
1 – суммарная характеристика; 2 – разностная характеристика
При пеленговании методом сравнения используются две антенны с разнесенными в пространстве ХН. На рис. 3 изображены две такие ХН, лежащие в одной плоскости. Максимумы ХН смещены на угол 2(см. Линия, проходящая через точку пересечения ХН, образует равносигнальное направление (РСН). Если цель находится на (РСН), то сигналы, принятые обеими антеннами, будут одинаковы. Если цель отклонится на (( от линии РСН, то в каждой антенне сигналы будут разными, пропорциональными ХН каждой антенны:
U1=UmaxR(((см + ((); U2=UmaxR((((см - (().
При пеленговании путем определения разности напряжений U2 и U1 пеленгационная чувствительность равна
13 EMBED Equation.3 1415 , (2,8)
где Umax R(((см) амплитуда сигнала в РСН.
Разложим в ряд Тейлора функцию R( ((см ±(():
R( ((см ±(() = R(((см) ( R((((см) (( ( Ѕ R((( ((см) ((2 (
Пусть (( = (( min тот минимальный угол отклонения от РСН, при котором заметна разница между сигналами Umax R( ((см) и R( Umax ((см ±((). Кроме того, у гол смещения (см выберем таким образом, чтобы крутизна разностной характеристики была по возможности высокой (для этого необходимо увеличивать (см), а амплитуда полезного сигнала достаточной (необходимо уменьшать (см). При компромиссном решении (см ( 0,6 (0,5.
При сделанных допущениях величина R'( ((см) близка к максимуму, а R"( ((см) ( 0.
Таким образом,
13 EMBED Equation.3 1415 (2.9)
Согласно (2,6)
13 EMBED Equation.3 1415
Пеленгационная чувствительность в соответствии с формулой [2.9) равна
13 EMBED Equation.3 1415
или
(( = 0,15((0,5 (2.10)
Ошибка пеленгования методом сравнения, полученная по формуле (2.10), в 13 EMBED Equation.3 1415 раз меньше ошибки, полученной при использовании максимального метода. (см. 2.7)
Определение направления на шумящий объект методом сравнения можно производить по схеме Гванеллы, в которой напряжение с выхода одной антенны подается на умножитель непосредственно, а напряжение с выхода другой антенны через фазовращающее устройство, сдвигающее все составляющие спектра сигнала на угол (/2. Напряжение с выхода перемножающего устройства подводится к интегратору. На выходе интегратора получается несимметричная автокорреляционная функция входных напряжений. График этой функции отличается от графика разностной характеристики (см. рис. 3) большей крутизной в точке (см.
Пеленгование по схеме Гванеллы отличается большей помехозащищенностью и точностью по сравнению с пеленгованием путем Простого вычитания сигналов.
При фазовом пеленговании прием эхо-сигнала производится двумя антеннами А и В (рис. 4), фазовые центры которых разнесены в пространстве на расстояние d. Разность фаз сигналов, принятых антеннами, определяется разностью хода лучей до антенн: ( = d sin (, где ( угол прихода акустических лучей к антеннам. Отсюда разность фаз сигналов, принятых двумя антеннами, определяется соотношением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.11)
Рис. 4. Иллюстрация принципа пеленгования фазовым методом.
Измерив ((, можно по формуле (2.11) определить угол.
При изменении угла ( от нуля до (/2 угол (( меняется в пределах от нуля до (2(/() d. Так как с помощью фазометров можно измерять углы, не превосходящие (, то значение определяется однозначно при sin ( ( ( /(2d).
Чувствительность фазового метода равна
13 EMBED Equation.3 1415 ,
где ( чувствительность метода, которая определяется ошибкой фазометра; ((min минимальный угол отклонения цели от направления (0, при котором еще заметна разница в приращениях фаз на индикаторе фазометра.
Полагая (0 = 0, имеем 13 EMBED Equation.3 1415 .
Для малых значений измеряемых углов синус можно заменить аргументом, тогда 13 EMBED Equation.3 1415 , откуда
13 EMBED Equation.3 1415 (2.12)
При однозначности измерения угла направления на цель, т. е. когда d((/2, ошибка пеленгования
13 EMBED Equation.3 1415 (2.13)
Величина ( зависит от типа фазометра и может принимать значения от 0,1 до 1°.
3. Разрешающая способность ГЛС
Разрешающая способность характеризует способность ГЛС выполнять задачи обнаружения и измерения параметров произвольной цели при наличии других целей, близких по угловым координатам, дальности и скорости.
Разрешающая способность ГЛС по угловым координатам численно характеризуется минимальным углом между направлением на две равноудаленные относительно ГЛС цели, при котором еще возможно их раздельное наблюдение.
Разрешающая способность ГЛС по дальности численно характеризуется минимальным расстоянием между двумя целями, при котором еще возможно раздельное наблюдение этих целей.
Рис 5. К пояснению понятия разрешающей способности ГЛС: а угловые горизонтальные каналы наблюдения; б каналы наблюдения по дальности и угловые вертикальные каналы наблюдения; в каналы наблюдения по скорости; г разрешающий элемент объема
Разрешающая способность ГЛС по скорости численно характеризуется минимальной разностью скоростей двух целей, при которой они распознаются раздельно.
Рис. 5 иллюстрирует понятие разрешающей способности ГЛС. Как показано на рисунке, все пространство, окружающее приемно-излучающую антенну ГЛС, разбито на каналы наблюдения, имеющие тот наибольший объем, в пределах которого нельзя распознавать присутствие более одной цели. Разрешающая способность ГЛС характеризуется: по угловым координатам углами (В и (Г (рис. 5, а и б); по дальности элементом (r = с(и /2 (рис 5,б); по скорости элементом (f (рис. 5, в). На рис. 5, г показан разрешающий элемент объема пространства и носитель ГЛС.
Общее число каналов наблюдения ГЛС можно рассчитать по формуле
Noб = NгNBNrNf, (3.1)
где Nг число пространственных каналов наблюдения в горизонтальной плоскости; NB число пространственных каналов наблюдения в вертикальной плоскости; Nr число пространственных каналов наблюдения по дальности; Nf число частотных каналов наблюдения.
Эффективность обнаружения целей зависит от числа каналов наблюдения. Чем больше число каналов наблюдения, тем выше помехозащищенность приемного устройства ГЛС. Но максимальное количество каналов наблюдения (их может быть более 100 000) ограничено конечной скоростью обработки гидролокационной информации ГЛС.
До сих пор, когда речь шла о характеристиках обнаружения, имелось в виду так называемое обнаружение «в точке». Под этим следует понимать принятие решения (альтернативы) о наличии или отсутствии эхо-сигнала в одном из наблюдаемых каналов.
Как видно из предыдущих рассуждений, ГЛС работает в пространственно-частотно-временной области. Это должно быть учтено при выборе значения вероятности ложных тревог (Рл.т).
Если Рл. т << 1 и вероятность ложных тревог во всех каналах наблюдения одинакова, то
Pл. т = Pл. тNNоб, (3.2)
Где Рл. т вероятность ложных тревог в N - канальной системе; Рл. т вероятность ложных тревог «в точке».
Если вероятность ложных тревог в каналах наблюдения неодинакова, тогда
13 EMBED Equation.3 1415 , (3.3)
где (к интервал времени корреляции помехи; Т0 интервал времени, в течение которого должно произойти не более Р (0) ложных тревог.
Вероятность Р (0), интервал корреляции (к, время Т0 и число альтернатив (число каналов наблюдения) No6 являются заданными параметрами для расчета Рл. т.
Пусть, например, Р (0) = 0,9; Т0 = 10 мин; (к = 1 с; No6 = 100. Тогда, согласно (3.3), имеем
13 EMBED Equation.3 1415 .
После определения Рл.т можно найти коэффициент q при заданной вероятности правильного обнаружения.
3.1. Классификация целей.
В настоящее время ГЛС ведут поиск целей на больших акваториях. Поэтому на индикаторах ГЛС появляется множество целей, которые необходимо классифицировать.
При классификации целей используют хранящиеся в памяти ГЛС информационные характеристики эхо-сигналов от различных целей. Структура приемного устройства ГЛС должна обеспечивать обнаружение сигналов только определенного вида. Качество классификации зависит от способности гидроакустика к визуальной и слуховой классификации эхо-сигналов и степени его натренированности.
Для уверенной классификации целей стремятся к постоянному накоплению новой информации о принадлежности эхо-сигналов к тому или иному классу целей, к использованию спектральных, корреляционных, спектрально-временных и других признаков эхо-сигналов от целей различных классов, к улучшению методов представления оператору информации о Гидролокационной обстановке.
4. Параметры ГЛС
4.1. Тактические и технические параметры ГЛС.
Возможности использования ГЛС определяются ее тактическими и техническими параметрами.
К тактическим параметрам ГЛС относятся: дальность действия, точность ее определения, разрешающая способность по дальности, точность определения угловых координат и разрешающая способность по угловым координатам, минимальная дальность действия и др.
К техническим параметрам ГЛС относятся: рабочая частота, длительность импульса излучения, частота повторения импульсов, акустическая мощность излучения, ширина характеристики направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, коэффициент осевой концентрации, метод обзора, методы измерения дальности и угловых координат, тип оконечного устройства (индикатора) и др.
Ниже рассмотрим взаимосвязь тактических и технических параметров ГЛС.
4.2. Дальность действия.
Дальность действия определяется наибольшим расстоянием, на котором ГЛС выполняет свои тактические функции при заданной вероятности правильного обнаружения и ложных тревог.
Рассмотрим зависимость дальности действия ГЛС от частоты повторения излучаемых импульсов. Дальность до цели измеряется однозначно лишь в тех случаях, когда время задержки tз меньше периода повторения импульсов Тпов. В противном случае однозначность измерения дальности до цели нарушается. Все k целей, для которых время запаздывания равно tзk = tз + (k 1) Tпов tз время задержки сигнала ближайшей цели), дадут отметки на экране индикатора ГЛС в одном и том же месте. Поэтому для исключения неоднозначности измерения дальности до цели период повторения импульсов излучения при заданной дальности действия rmax должен удовлетворять условию
Tпов > tз mах = 2rmах/С, (4.1 )
Частота повторения излучаемых импульсов должна удовлетворять условию
13 EMBED Equation.3 1415 (4.2)
4.3. Точность определения дальности.
Точность измерения дальности в основном зависит от условий распространения акустических волн в водной среде от точности измерения времени запаздывания эхо-сигнала относительно момента излучения импульса.
Предположим, что время запаздывания t3 = const; тогда из соотношения r = сtз/2 можно найти ошибку измерения дальности из-за изменения скорости звука с: (r/r = (с/с.
Наибольшее изменение скорости звука в Мировом океане относительно среднего значения с = 1500 м/с составляет величину (с/с = ± 6,7 ( 102. Максимальная амплитуда годовых колебаний относительного изменения скорости звука составляет (c/c = 3,75 ( 10-3. Среднесуточные относительные изменения на поверхности океана редко превышают величину. (с/с = 3,5 ( 10-3. Вертикальные градиенты скорости звука в слое скачка, обусловленном резким изменением температуры и солености, в среднем не превышают 3,5 ( 10-4 на 1 м глубины.
На точность измерения дальности до цели влияет уровень помех. Если отсчет дальности производить по переднему фронту импульса, то, появляется ошибка в измерении дальности до цели или ее эквивалента (t3.
При визуальном способе отсчета дальности с помощью масштабных линий шкалы индикатора на точность измерения влияют ошибки интерполяции, фиксации и ошибки, обусловленные недостаточной фокусировкой, электронного луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
При недостаточно хорошей фокусировке электронного луча ЭЛТ появляется дополнительная ошибка, которая не превышает размеров пятна цели на экране ЭЛТ, выраженных в единицах дальности.
4.4. Разрешающая способность по дальности.
Разрешающая способность по дальности зависит от длительности импульса излучения и типа применяемого индикатора.
Рис. 6. К пояснению разрешающей способности ГЛС по дальности: a - пространственное расположение ГЛС и целей; б – отметки целей на экране индикатора.
На рис. 6, а показаны две цели Ц1 и Ц2 с одинаковыми угловыми координатами. Отметки целей в идеализированном случае изображены на рис. 6, б. При сближении целей две отметки образуют двугорбую кривую, которая при малом интервале между целями (t3 становится одногорбой. Если принять в качестве условия разрешения двух целей наличие впадины между ними (дву-горбости кривой), то разрешающая способность будет равна
(rпот = r2-r1 = c(/2 (4.3)
Идеальная разрешающая способность (4.3) является фактически потенциальной, т. е. предельно возможной.
Реальная разрешающая способность по дальности отличается от потенциальной. Например, в ГЛС с визуальными индикаторами существенное влияние на разрешающую способность по дальности оказывает ширина следа электронного луча на экране ЭЛТ или ширина записи отметки цели на бумаге устройства записи.
Масштаб шкалы записи индикатора, выраженный обычно в миллиметрах на километр (отношение интервала шкалы к соответствующей дальности).
При крупном масштабе (малой шкале дальности) разрешающая способность приближения к потенциальной. При мелком масштабе (большой шкале дальности) разрешающая способность определяется главным образом разрешающей способностью индикатора.
При использовании в ГЛС слухового индикатора разрешающая способность определяется физиологическими особенностями человеческого уха. Ощущение громкости устанавливается при длительности слухового воздействия 0,2 с. Время, равное 0,2 с, называется адаптацией слуха к звуковому воздействию. Два следующих друг за другом звуковых сигнала с интервалом, не превышающим 50 мс, воспринимаются слитно, а при интервале, превышающем это время, раздельно, т. е. разрешающая способность слухового индикатора (rинд > 40 м.
Таким образом, потенциальная разрешающая способность ГЛС по дальности увеличивается с уменьшением длительности импульса излучения. Но при уменьшении длительности импульса излучения уменьшается дальность действия ГЛС. Чтобы избежать ухудшения тактических параметров ГЛС (разрешающей способности по дальности и дальности действия), при излучении применяют сложные сигналы.
4.5. Точность измерения угловых координат и разрешающая способность по угловым координатам.
Точность измерения угловых координат цели зависит от метода пеленгования (см. п. 2) и отношения энергии эхо-сигнала к спектральной мощности помехи.
При максимальном методе пеленгования потенциальная точность измерения угловых координат определяется формулой:
13 EMBED Equation.3 1415 , (4.4)
где (0,5 ширина ХН по мощности на уровне 0,5, град; Е энергия эхо-сигнала, Вт ( с; Рсп спектральная мощность помехи, Вт/Гц.
Рассмотрим основные соотношения для разрешающей способности по углу при определении угловых координат цели максимальным методом.
Пусть, как это показано на рис. 7, а, происходит вращение характеристики направленности с угловой скоростью (°/с. Тогда две равноудаленные цели создадут на выходе приемного устройства перекрывающиеся пачки импульсов. Совпадающие, импульсы этих пачек (рис. 7, б) образуются вследствие облучения целей одним и тем же импульсом излучения. Так как огибающая пачка соответствует ХН антенны, то пересечение огибающих на уровне 0,5 означает угловой сдвиг целей на ширину ХН. Таким образом, потенциальная разрешающая способность по углу
((пот = (0,5 (4.5)
Разрешающая способность по углу зависит также от примененного индикатора. Из рис. 7, в следует, что диаметр пятна dп обусловливает появление ошибки
((инд = dп/( (4.6)
где ( радиус соответствующей отметки на экране.
Для индикаторов кругового обзора характерна зависимость разрешающей способности по углу от положения отметки цели относительно центра экрана. По мере приближения отметки к центру экрана разрешающая способность по углу ухудшается.
Рис. 7. К пояснению разрешающей способности ГЛС по угловым координатам: а взаимное расположение в пространстве характеристики направленности и двух целей; б временные диаграммы напряжений эхо-сигналов от двух целей на входе усилительного тракта ГЛС; в отметки целей на индикаторе кругового обзора
4.6. Минимальная дальность действия.
Минимальной дальностью действия ГЛС называется наименьшее расстояние до цели, при котором обеспечивается обнаружение цели и измерение ее координат. Минимальная дальность действия ГЛС зависит от длительности излученного импульса. Отраженный от близко расположенной цели сигнал можно увидеть на экране индикатора, если отметка от цели появляется после окончания излучения импульса. Так как длительность излученного импульса равна (и, минимальная дальность действия определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (4.7)
Кроме того, по окончании излучения импульса приемное устройство остается на некоторое время закрытым, так как в его усилительном тракте осуществляется модуляция чувствительности по закону убывания среднего уровня интенсивности реверберационной помехи. Таким образом, минимальная дальность действия ГЛС, начиная с которой возможно наблюдение эхо-сигнала, равна
rmin = c((и + (в)/2, (4.8)
где (в время восстановления чувствительности усилительного тракта приемного устройства.
Так, например, при длительности импульса излучения (и = (в = 0,2 с минимальная дальность действия ГЛС оказывается равной 300 м.
Если акустическая антенна ГЛС имеет узкую ХН в вертикальной плоскости, то минимальная дальность действия ГЛС может возрасти.
При ширине ХН в вертикальной плоскости (В = 25 ( 30° минимальная дальность действия равна
rmin = (3( 6) h, (4.9)
где h глубина погружения цели, м.
5. Структурные схемы ГЛС
5.1. Классификация ГЛС.
Современные ГЛС классифицируются по назначению, принадлежности к носителям и береговым объектам флота, месту расположения акустической антенны, способу обзора акватории и т. д.
По назначению ГЛС подразделяются на ГЛС обнаружения подводных лодок, торпед, надводных кораблей и др.
По принадлежности к носителям различают ГЛС надводных кораблей, ГЛС подводных лодок, вертолетные и береговые.
В зависимости от места расположения акустической антенны различают ГЛС с антенной в носовом обтекателе (подкильные антенны); с антенной, совмещенной с обводами корабля; с буксируемой антенной и с опускаемой антенной.
По способу обзора акватории ГЛС подразделяются на ГЛС шагового поиска, кругового обзора и др.
5.2. Структурная схема ГЛС шагового поиска.
Принцип действия ГЛС шагового поиска заключается в следующем. Антенна, находящаяся в неподвижном состоянии, излучает акустический импульс. Через интервал времени tз = 2rmax/c, где rmах дальность действия ГЛС, антенна автоматически поворачивается на угол ((, и производится новая посылка акустического импульса. Угол ((, на который поворачивается антенна, называется шагом поиска. Шаг поиска определяется шириной ХН: (( = (0,7, где (0,7 ширина ХН по уровню 3 дБ. Количество шагов поиска зависит от сектора обзора. Так, для сектора обзора, равного 120°, количество шагов поиска при (0,7 = 20° равно шести.
Простейшая ГЛС шагового поиска (рис. 8) состоит из двух приемно-излучающих антенн А1 и А2, электрического коммутатора приема передачи КПП, импульсного генератора Г1, двухканального усилителя, генератора развертки ГЗ, слухового усилителя, индикатора на электронно-лучевой трубке ЭЛТ, устройства записи УЗ и громкоговорителя Гр.
Двухканальный усилитель составлен из трансформаторов суммы Тр( и разности Тр(, усилителей сигналов УС1, преобразователей частоты, состоящих из смесителя См, генератора Г2 и фильтра Ф1, и оконечных усилителей УС2.
Слуховой усилитель включает в себя: удвоитель частоты УЧ с фильтром Ф2, преобразователь частоты (блоки См, Г4 и Ф3), усилитель мощности УС3.
Для подачи сигналов на вход устройства записи УЗ имеется усилитель мощности УС4 и детектор Д.
В режиме излучения ГЛС работает следующим образом. Импульсы запуска УЗ, следующие с интервалом времени Тпов = 2rmax/c, подаются на Г1. С приходом импульсов запуска Г1 вырабатывает мощные электрические импульсы длительностью (и, которые через КПП подаются на обе акустические антенны. Электрические импульсы преобразуются антеннами в акустические импульсы излучения. Незначительная часть электрической энергии Г1 в режиме излучения поступает на вход приемно-усилительного тракта, что фиксируется на бумаге устройства записи УЗ и экране трубки ЭЛТ нулевыми отметками. В громкоговорителе Гр прослушивается сигнал импульса излучения.
Рис. 8. Структурная схема ГЛС шагового поиска
В режиме приема Г1 отключается от антенны с помощью КПП. Эхо-сигналы преобразуются антеннами в электрические импульсы, которые через КПП поступают на вход двухканального усилителя,
В двухканальном усилителе происходит обработка сигналов таким образом, что при подаче их на отклоняющие пластины ЭЛТ на экране получается прямая развертка. Если разность фаз принимаемых эхо-сигналов будет равна нулю (антенны направлены на цель), то развертка на экране занимает вертикальное положение. При вертикальном положении развертки отсчитывают курсовой угол цели по стрелочному указателю, механически связанному с поворотным устройством антенн.
Прослушивание эхо-сигнала осуществляется с помощью слухового усилителя и громкоговорителя. Для переноса высокочастотного спектра эхо-сигнала в область частот, удобных для прослушивания, применена схема супергетеродинного усилителя, состоящего из блоков Г4, См и Ф3.
С помощью блоков У4 и Ф2 производится расширение полосы доплеровского смещения частоты, что способствует улучшению распознавания скорости цели.
Расстояние до цели отсчитывают по шкалам УЗ и ЭЛТ.
ГЛС шагового поиска имеют дальность действия, не выше 2 4 км. Это объясняется тем, что для локации дальних целей на больших скоростях носителя ГЛС скорость обзора акватории незначительна. Так, например, для обследования сектора, равного 360°, при шаге поиска, составляющем 15°, необходимо послать и принять, как минимум, 24 импульса. При дальности действия, равной 10 км, требуется время обследования не менее 6 мин, т. е. цель обнаруживается с большим опозданием (за 6 мин современная подводная лодка может удалиться на расстояние более 10 км).
Увеличение дальности действия ГЛС требует применения низких частот, в результате чего размеры и масса акустической антенны, особенно при быстром сканировании ХН, становятся настолько большими, что механический поворот акустической антенны оказывается невозможным. Поэтому в настоящее время в ГЛС применяется искусственный метод поворота ХН антенны.
Рис. 9 структурная схема ГЛС шагового поиска
с временной компенсацией прихода сигналов.
Для поворота ХН в заданном направлении ( (рис. 9) необходимо создать распределение фаз акустического давления по элементам антенны так, чтобы колебания по линии ll( складывались с одинаковой фазой. Антенна при этом как бы поворачивается на угол (, а ее действующий раскрыв (проекция излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения) уменьшается в Da (1cos () раз, где Da линейный размер антенны.
Для получения cинфазных колебаний по линии ll( (рассматривается режим излучения, но в режиме приема картина аналогична) необходимо, чтобы акустические колебания на линии ll( появились в один и тот же момент времени или, распространяясь от поверхности антенны, дошли до линии ll( с одинаковой фазой в каждой точке.
Для того чтобы акустические колебания от элементов антенны появились на линии ll( в одно и то же время, достаточно задержать акустические колебания от элемента Пр5 на время al' /с, от Пр4 на ad' /с, от Пр3 на аb' /с, от Пр2 на ab' /c, где с скорость звука в воде.
Для получения одинаковой фазы акустических колебаний на линии ll( необходимо, чтобы фазы по элементам антенны распределялись следующим образом: для элемента Пр5 фаза должна быть равна (аl( /с, для Пр4 (аd( /c, для Пр3 (ас'/с, для Пр2 (аb /с и для Пр1 0, где ( рабочая частота ГЛС.
Поясним принцип действия ГЛС с электронным сканированием ХН, структурная схема которой показана на рис. 9.
В режиме излучения электрические импульсы излучения от генератора Г поступают на одну из линий задержки (ЛЗ), с выхода которой сигналы подаются на усилитель мощности УС1. Мощные электрические импульсы, проходя через КПП, возбуждают элементы акустической антенны. Задержки в ЛЗ подобраны таким образом, что происходит излучение акустической энергии по одному из направлений. С помощью электронного коммутатора ЭК1 происходит сканирование ХН в секторе, равном примерно ± 60° относительно угла ( = 0. Полное время излучения Тизл = 2n(и, где n число ЛЗ; (и длительность импульса излучения в одном секторе.
В режиме приема происходит формирование 2n статических ХН с помощью ЛЗ. Предварительные усилители УС2 согласуют выходы элементов антенны с входами ЛЗ. С помощью электронного коммутатора ЭК2 происходит быстрое сканирование по выходам ЛЗ и передача сигналов через усилитель УСЗ на индикатор Инд. Скорость сканирования должна быть такой, чтобы можно было получить 46 выборок из каждого ожидаемого эхо-сигнала. Например, при длительности эхо-сигнала (эх = 0,2 с и числе выхо дов ЛЗ, равном 30, частота вращения ЭК2 должна быть равна 5901100 об/с.
5.3. ГЛС кругового обзора.
ГЛС кругового обзора позволяют за один цикл излучения приема вести наблюдение за целями, находящимися в секторе, равном 360 o.
Основными элементами ГЛС кругового обзора (рис. 10) являются:
неподвижная круговая или эллиптическая антенна КА, составленная из отдельных направленных в горизонтальной плоскости преобразователей;
электронные коммутаторы приема передачи КПП;
предварительные усилители сигналов УС, число которых соответствует количеству преобразователей в антенне;
электрические линии задержки ЛЗ2, предназначенные для формирования ХН;
сканирующее устройство СУ, предназначенное для последовательного сбора информации в каждом канале;
основной усилитель эхо-сигналов ОУ;
электронный индикатор Инд, в котором применяется трубка с большим послесвечением, магнитным отклонением и яркостной модуляцией луча;
генератор круговой развертки Г1, питающий отклоняющие катушки ЭЛТ;
коммутатор поворота характеристики направленности в режиме излучения КПХН;
10) мощные усилители УСУ, предназначенные для возбуждения преобразователей антенны;
11) линия задержки Л31, предназначенная для формирования ХН в режиме излучения;
12) задающий генератор Г2.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 10 структурная схема ГЛС кругового обзора
Элементы КПХН, СУ, КПП и Г1 действуют синхронно.
Поясним принцип действия рассматриваемой ГЛС.
В режиме излучения КПП подключает преобразователи антенны КА и УС1. В исходном положении коммутатора КПХН на преобразователи 1, 4 и 7 антенны сигналы от Г2 подаются с задержкой во времени, а на преобразователи 2, 3, 5, 6, 8 и 9 без задержки. Задержка сигналов производится в линии Л31 и подобрана таким образом, что в пространстве формируются три ХН, сдвинутые относительно друг друга на 120°. Максимумы ХН совпадают с направлением излучения преобразователей 1, 4 и 7 антенны. При повороте ротора КПХН на 120° по часовой стрелке направления максимумов ХН будут соответствовать направлениям излучения преобразователей 2, 5 и 8. И, наконец, при следующем повороте ротора КПХН излучение будет происходить в направлении преобразователей 3, 6 и 9.
Таким образом, вся акватория озвучивается в три приема с требуемой длительностью при каждом фиксированном положении ротора КПХН. Порционное излучение позволяет увеличить излучаемую акустическую мощность и обеспечить требуемую дальность действия ГЛС.
В режиме излучения акустическая антенна обладает некоторой направленностью и в вертикальной плоскости.
За время паузы между посылками импульсов происходит обработка гидролокационной информации приемным устройством ГЛС. С помощью линий задержки Л32 формируется n статических ХН по числу преобразователей в КА. Так, например, в направлении преобразователя 1 ХН формируется следующим образом: сигнал от преобразователя подвергается максимальной задержке в ЛЗ2, равной времени прохождения звука от фронта волны преобразователя 1 до фронта волны преобразователей 3 и 8; сигналы от преобразователей 2 и 9 подвергаются задержке в ЛЗ2, равной времени прохождения звука от фронта волны преобразователя 1 до фронта волны преобразователей 2 и 9; сигналы от преобразователей 3 и 8 задержке не подвергаются.
С помощью сканирующего устройства СУ выходы линии задержки ЛЗ2 подключаются к основному усилителю ОУ. Сигналы с выхода ОУ подаются на индикатор Инд. Вращение подвижного контакта СУ происходит синхронно с вращением развертки ЭЛТ. Скорость вращения подобрана так, что подвижный контакт СУ подключается к каждому выходу ЛЗ2 несколько раз за время, равное длительности эхо-сигнала. С появлением эхо-сигнала на выходе какой-либо ЛЗ2 на экране ЭЛТ индикатора высвечивается яркостная отметка.
ГЛС, построенная по подобной структурной схеме, обеспечивает пеленгацию максимальным методом, точность которого равна, ширине ХН по уровню 3 дБ.
Рис. 11. Структурная схема усилительного тракта приемного устройства ГЛС кругового обзора
Для уточнения угловых координат цели используется фазовый метод пеленгования.
Приемное устройство, структурная схема которого приведена на рис. 2.21, отличается от ранее рассмотренного (см. рис. 11) лишь методом формирования и поворота ХН. Формирование и поворот ХН осуществляются с помощью прибора, называемого индукционным компенсатором.
Индукционный компенсатор состоит из ротора и статора. Передача сигнала от блоков УС, показанных на рис. 11, к линиям задержки ЛЗ1а и ЛЗ1б (см. рис. 2.21) происходит с помощью трансформаторов. Половины сердечников с первичными обмотками трансформаторов расположены на статоре, а другие половины сердечников со вторичными обмотками на роторе. Первичные обмотки трансформаторов подключаются к УС, а вторичные обмотки к линиям задержки ЛЗ1а и ЛЗ1б. С помощью этих линий задержки формируются две ХН, обеспечивающие фазовый метод пеленгования.
Ротор индукционного компенсатора может приводиться во вращение вручную оператором с помощью устройства синхронно-следящей передачи или автоматически в режиме сопровождения цели по курсовому углу.
Заключение
Развитие технических средств гидролокации происходит по двум направлениям: совершенствование существующих и проектирование новых типов ГАС.
На современном этапе успешно применяется статистическаят: теория гидролокации и автоматизация первичной и вторичной обработки гидролокационной информации.
Статистической теорией гидролокации установлено, что важнейшей характеристикой ГАС является вероятность правильного обнаружения цели, определяемая при оптимальном приеме только энергией импульса излучения и не зависящая от его длительности, формы и ширины частотного спектра. Это дает возможность в современных ГАС варьировать структуру сигнала, удовлетворяя требованиям точности измерения расстояния до цели, ее угловых координат и скорости на заданной дальности.
Техническим воплощением статистической теории гидролокации является используемая в настоящее время техника сжатия импульсов, позволяющая повысить точность и разрешающую способность по дальности при ограниченной пиковой мощности и большой дальности обнаружения. Можно считать, что техника сжатия импульсов объединяет некоторым образом преимущества импульсного и непрерывного методов излучения акустической энергии в гидролокации.
Современный уровень развития техники позволяет выполнить значительную часть операций по обработке гидролокационной информации в ГАС с помощью ЦВМ.
В последние годы развивается новое направление в создании ГАС, связанное с общей тенденцией применения самонастраивающихся (адаптивных) устройств. Уже сегодня имеется принципиальная возможность по результатам проведенных наблюдений изменить структуру излучаемого импульса и способ обработки гидролокационной информации в зависимости от наблюдаемой ситуации. Характерным примером такого рода может служить ГАС с опускаемой акустической антенной, которая, определив грубо местоположение и скорость цели, а также оценив помеховую обстановку и гидроакустические характеристики океана, автоматически изменяет глубину погружения антенны, вид импульса излучения и (или) метод приема с тем, чтобы наилучшим образом выделить эхо-сигнал от предполагаемой цели из имеющихся помех, а также определить координаты цели. По мере уточнения реальной обстановки такой процесс адаптации ГАС непрерывно продолжается.
Важнейшей и перспективной областью гидроакустики является гидроакустическая телеметрия, позволяющая решать широкий круг задач по освоению Мирового океана.
Перспективной областью гидроакустики считается звуковидение получение визуальных изображений объектов с помощью акустических колебаний. Ожидается, что аппаратура позволит получить зрительное изображение небольших по размеру предметов даже в условиях полного отсутствия оптической видимости.
Список используемой литературы
1. Зуфрин А.М. «етоды построения судовых автоматических угломерных систем» 408 с.
2. Колчеданцев А.С. «Гидроакустические станции: учебник для судостроительных техникумов» – Л.: Судостоение, 1982. – 240 с., ил.
3. Леонов Ф.И., Фомичев К.И. «Моноимпульсная радиолокация» «Радио и связь», 1984.
13PAGE 15
13PAGE 14115
Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native
факультет морского приборостроения
РЕФЕРАТ
Тема: Измерение угловых координат цели ГЛС.
Структурные схемы пеленгаторов ГЛС.
Разрешающая способность ГЛС по угловым координатам.
Содержание
Введение .
2
Краткие сведения из истории развития ГАС ..
3
1. Назначение и принцип действия ГЛС .
4
1.1. Назначение ГЛС .....
4
1.2. Обнаружение целей ...
4
1.3. Измерение дальности до цели ..
5
1.4. Измерение радиальной скорости цели .
5
2. Измерение угловых координат цели ...
6
3. Разрешающая способность ГЛС ......
11
3.1. Классификация целей ........
13
4. Параметры ГЛС .....
13
4.1. Тактические и технические параметры ГЛС ...
13
4.2. Дальность действия ...
14
4.3. Точность определения дальности .
14
4.4. Разрешающая способность по дальности
15
4.5. Точность измерения угловых координат и разрешающая способность по угловым координатам ...
16
4.6. Минимальная дальность действия ...
17
5. Структурные схемы ГЛС .....................
18
5.1. Структурная схема ГЛС шагового поиска ..
18
5.2. Структурная схема ГЛС шагового поиска ..
18
5.3. ГЛС кругового обзора .......................
21
Заключение ....
25
Список используемой литературы .......
26
Введение
Основные определения. Гидролокация это область гидроакустики, обеспечивающая наблюдение различных подводных объектов путем использования отраженных ими акустических волн либо собственного их излучения (слово «локация» происходит от латинского locatio размещение, расположение).
Информация, полученная в процессе подводного наблюдения, называется гидролокационной. Технические средства, обеспечивающие получение гидролокационной информации, называются гидроакустическими станциями (ГАС).
Объекты подводного наблюдения именуются гидролокационными целями или просто целями. При использовании отраженных акустических волн (эхо-сигналов) целями являются любые подводные объекты искусственного и естественного происхождения, отражающие или рассеивающие акустические волны (подводные лодки, морские животные и рыбы, подводная часть судна и айсберга и т. д.).
Источником гидролокационной информации является гидроакустический сигнал. В зависимости от способа его получения различают следующие виды гидролокационного наблюдения:
Гидролокационное наблюдение, основанное на том, что зондирующие сигналы, излучаемые ГАС, отражаются от цели и попадают в приемное устройство в виде эхо-сигнала. Такой вид наблюдения называется активной гидролокацией. Гидроакустические станции, обеспечивающие активную гидролокацию, называются гидролокационными станциями (ГЛС). К средствам активной гидролокации относятся также средства телеуправления подводными объектами и станции ретрансляции.
Гидролокационное наблюдение, основанное на приеме собственного излучения целей. Этот вид наблюдения называется пассивной гидролокацией. Гидроакустические станции, обеспечивающие пассивную гидролокацию, называются шумопеленгаторными станциями (ШПС). К средствам пассивной гидролокации относятся также устройства приема и обработки сигналов гидроакустической связи и телеметрии.
ГАС решают следующие задачи подводного наблюдения: обнаружение, измерение, разрешение и классификацию целей.
Обнаружением называется процесс принятия решения о наличии целей с допустимой вероятностью ошибочного решения.
Измерение позволяет оценить координаты целей и параметры их движения с допустимыми погрешностями.
Разрешение заключается в выполнении задач обнаружения и измерения координат одной цели при наличии других, близких по дальности, угловым координатам и скорости.
Классификация дает возможность установить некоторые характерные признаки цели: точечная она или групповая, движущаяся или неподвижная и т. д.
Краткие сведения из истории развития ГАС
Впервые в мире принципы эхо-локации были разработаны и проверены в 1807 г. акад. Я. Д. Захаровым. Он определил высоту подъема воздушного шара путем измерения промежутка времени между посылкой акустического сигнала на землю и приемом отраженного эхо-сигнала.
Первое практическое применение гидролокации относится к концу прошлого века. Для безопасности кораблевождения в туман ную погоду стали применять подводную звуковую сигнализацию. Звук подводного колокола был слышен на значительно большем расстоянии, чем звук колокола, установленного на берегу.
Перед первой мировой войной в военных флотах многих государств появились первые подводные лодки. Однако, даже находясь на перископной глубине, эти подводные лодки наполовину лишались связи с внешним миром, а опустив перископ, они вовсе становились слепыми. Лишенная возможности обнаружить противника, подводная лодка была малоэффективной. Но оснащение простейшей «гидрофонической станцией» для подводного телеграфирования позволило подводной лодке при погружении на глубину собирать информацию о противнике от взаимодействующих с ней надводных кораблей.
Следующее поколение подводных лодок получило специальный прибор для прослушивания подводных звуков шумопеленгатор. Появление шумопеленгаторов дало подводной лодке возможность ориентироваться в звуковом подводном мире.
Дальнейшим этапом в развитии гидроакустической аппаратуры явилось создание нового гидроакустического устройства гидролокатора. Изобрел это устройство наш соотечественник талантливый инженер К. В. Шиловский. В 1916 г. во Франции К. В. Шиловский и Поль Ланжевен получили совместный патент на «Описание аппаратов и способов их применения для локализации подводных препятствий».
В развитии советской гидролокации большую роль сыграл профессор Военно-морской академии Б. Н. Кудревич. По его инициативе была создана научно-исследовательская лаборатория по разработке и проектированию гидроакустических приборов, научное руководство которой было возложено на В. Н. Тюлина одного из основоположников советской гидроакустики. В начале 30-х годов В. Н. Тюлин решает важнейшую проблему создания первого советского эхолота. Опытный образец этой установки он разработал сам, начиная с расчетов и чертежей и кончая всесторонними испытаниями на пароходе «Малыгин» и ледоколе «Ермак» в Арктике.
Особенно большие успехи в создании гидроакустической техники были достигнуты в период после второй мировой войны. Широкое развитие получила теория распространения волн в океанической среде. Здесь в первую очередь должны быть отмечены работы акад. Л. М. Бреховских и д-ра техн. наук Л. Я. Гутина.
1. Назначение и принцип действия ГЛС
1.1. Назначение ГЛС.
ГЛС является техническим средством получения гидролокационной информации. Процесс получения информации делится на следующие этапы: 1) обнаружение целей; 2) измерение координат и параметров движения целей; 3) разрешение; 4) классификация целей.
Рассмотрим основные принципы реализации задач каждого этапа получения гидролокационной информации.
1.2. Обнаружение целей.
Обнаружение целей производится с помощью приемного устройства ГЛС. Для оптимального обнаружения целей в приемном устройстве должны выполняться следующие операции:
умножение входного напряжения сигнала Uвх(t) на опорное напряжение Uоп(t), являющееся копией излученных ГЛС сигналов;
интегрирование полученного произведения за время существования эхо-сигнала (эх: определяется интеграл вида:
13 EMBED Equation.3 1415,
где Uвх(t)=aU(t) = aU(t) + Uп(t) сумма напряжений эхо-сигнала и помехи (при a = a0 = 0 эхо-сигнал на входе оптимального приемного устройства отсутствует, а при а=а1=1 присутствует); Uоп(t) = k1a1u(t) копия излученного сигнала ГЛС.
сравнение выходного напряжения интегратора Uвых = k2 13 EMBED Equation.3 1415 c некоторым постоянным напряжением, именуемым пороговым Uпор при Uвых > Uпор принимается решение о наличии цели; при Uвых < Uпор считают, что цели нет. Упрощенная структурная схема оптимального приемного устройства (ОПУ) показана на рисунке 1:
Рис. 1 Упрощенная структурная схема
оптимального приемного устройства.
1.3. Измерение дальности до цели.
Существуют три метода измерения дальности до цели в однородной среде: фазовый, частотный и импульсный.
Фазовый метод основан на том, что разность фаз излученного сигнала и эхо-сигнала пропорциональна времени запаздывания
Полученные выражения позволяют проградуировать шкалу измерителя непосредственно в единицах дальности.
Фазовый метод дает малую ошибку измерения, но с его помощью можно измерить дальность только до одной цели.
Частотный метод измерения дальности до цели основан на принципе измерения частоты биения колебаний излучаемого сигнала и эхо-сигнала. В ГЛС с частотным методом измерения дальности излучаемый сигнал представляет собой непрерывный частотно-модулированный сигнал. Закон модуляции частоты синусоидальный или пилообразный.
Частотный метод измерения дальности до цели, как и фазовый, дает малые ошибки измерения, но позволяет измерять дальность только до одной цели.
Импульсный метод измерения дальности до цели основан на измерении времени запаздывания эхо-сигнала tз относительно момента излучения импульса излучения. Дальность до цели r= сtз/2.
В ГЛС наиболее широко применяется импульсный метод измерения дальности до цели, так как техническая реализация этого метода наиболее проста и, кроме того, с его помощью можно измерять дальность до многих целей.
1.4. Измерение радиальной скорости цели.
Измерение радиальной скорости цели можно производить как в импульсном, так и в непрерывном режиме работы ГЛС.
При отражении сигнала от движущейся цели несущая частота сигнала изменяется на величину доплеровского смещения Fд = 2f0Ur/c, где Ur – радиальная скорость цели. Отсюда:
13 EMBED Equation.3 1415 (1.1)
Определив доплеровское смещение частоты, можно найти радиальную скорость цели.
2. Измерение угловых координат цели
Наиболее важной задачей, решаемой многими ГЛС, является измерение угловых координат цели, которое основано на определении направления прихода акустических волн, отраженных целью. При этом предполагается, что акустические волны распространяются вдоль прямой линии, соединяющей ГЛС с целью. Определение направления прихода акустических волн называется гидроакустическим пеленгованием.
Известны следующие методы гидроакустического пеленгования: максимальный, метод сравнения (равносигнальный) и фазовый.
Первые два метода пеленгования основаны на использовании направленных свойств акустических антенн. При изменении угла направления прихода акустических волн ( электрическое напряжение на выходе направленной акустической антенны изменяется согласно уравнению
Uc=Uc max R(пр (2.1)
где Uc max максимальное напряжение, получаемое в направлении источника звука; R(пр характеристика направленности приемной акустической антенны.
Если передающая и приемная антенны являются направленными и имеют одинаковые характеристики направленности, то
Uc=Uc max R(() (2.2)
Где R(() = Rизл(() Rпр(() произведение характеристик направленности излучающей и приемной антенн.
Изменяя тем или иным способом положение характеристики направленности (ХН) акустической антенны, можно добиться того, что она будет направлена на отражающий объект цель (рис. 2, а). Напряжение на выходе акустической антенны при этом достигнет максимального значения. При максимальном напряжении на выходе антенны производится отсчет угловой координаты цели (0 (рис. 2, б).
Рис. 2. Иллюстрация принципа пеленгования максимальным методом (а)
и характеристика пеленгования (б).
Существуют следующие способы, реализующие максимальный метод пеленгования:
формируется одна ХН антенны, которая перемещается в заданном секторе пространства с помощью поворота акустической антенны;
формируется одна ХН антенны, которая перемещается в заданном секторе пространства искусственными методами при неподвижной антенне;
формируется веер ХН, каждая из которых сканируется искусственными методами в отведенном для нее секторе;
формируется веер неподвижных ХН, пересекающихся в пространстве на уровне 3 дБ; определение угловых координат целив этом случае сводится к определению номера ХН, в зоне обзора которой находится цель.
Возвратимся к равенству (1.3). Как уже отмечалось, при использовании максимального метода пеленгования направление на цель определяется по максимуму напряжения на выходе акустической антенны. Предположим, что в интервале углов по уровню 0,5 ХН по мощности полезный сигнал имеет необходимое для уверенного наблюдения превышение над уровнем помех. Изменение наблюдаемого сигнала для малых углов (см. рис. 2, б) можно представить в виде:
13 EMBED Equation.3 1415 2.3
где 13 EMBED Equation.3 1415 напряжение на выходе антенны при угле, равном (0; 13 EMBED Equation.3 1415 напряжение на выходе антенны при изменении угла на малую величину ((min.
Величина ( = |(Uc min/Uc max| называется пеленгационной чувствительностью.
Формулу (2.3) можно упростить, если принять за начало отсчета (0 = 0 и положить Uc max = 1.
Согласно этим предположениям и формуле (2.2),
( = |1-R( (((min)| (2.4)
Разлагая функцию R( (((min) в ряд Тейлора и пренебрегая членами, порядок которых выше второго, получаем
R( (((min) ( R( (0) + R(( (0) ((min + Ѕ R(( (0) ((2min
Так как R( (0) = 1 и R(( (0) = 0, то
( = Ѕ R(( (((min ,
a ((min соответственно равно
13 EMBED Equation.3 1415, (2.5)
Где, ( - заданное значение пеленгационной чувствительности.
ХН акустической антенны по мощности хорошо аппроксимируется функцией:
13 EMBED Equation.3 1415, (2.6)
где ( угол, отсчитываемый в одну сторону от максимума, а (0,5 - ширина ХН по уровню 0,5, отсчитываемая в обе стороны от максимума.
Найдем первую и вторую производные R( (0) по углу ((:
13 EMBED Equation.3 1415 ;
13 EMBED Equation.3 1415 ,
Таким образом, |R(((0)| = 5,6/(20,5 и из (2.6) получаем
13 EMBED Equation.3 1415 (2.7)
Выбор значения (( определяется условиями работы ГЛС. При работе гидроакустика с визуальным индикатором принято считать, что ( 0,05(0,15, а при работе со слуховым индикатором ( ( 0,2.
Максимальный метод пеленгования имеет незначительную точность. Так, например, при работе гидроакустика со слуховым индикатором ((0,5=20°) имеем ((min = 0,6 (2 20 = 5°21(, а при работе с визуальным индикатором при той же ширине ХН ((min = 3°48(.
Рис.3 Иллюстрация принципа пеленгования методом сравнения
1 – суммарная характеристика; 2 – разностная характеристика
При пеленговании методом сравнения используются две антенны с разнесенными в пространстве ХН. На рис. 3 изображены две такие ХН, лежащие в одной плоскости. Максимумы ХН смещены на угол 2(см. Линия, проходящая через точку пересечения ХН, образует равносигнальное направление (РСН). Если цель находится на (РСН), то сигналы, принятые обеими антеннами, будут одинаковы. Если цель отклонится на (( от линии РСН, то в каждой антенне сигналы будут разными, пропорциональными ХН каждой антенны:
U1=UmaxR(((см + ((); U2=UmaxR((((см - (().
При пеленговании путем определения разности напряжений U2 и U1 пеленгационная чувствительность равна
13 EMBED Equation.3 1415 , (2,8)
где Umax R(((см) амплитуда сигнала в РСН.
Разложим в ряд Тейлора функцию R( ((см ±(():
R( ((см ±(() = R(((см) ( R((((см) (( ( Ѕ R((( ((см) ((2 (
Пусть (( = (( min тот минимальный угол отклонения от РСН, при котором заметна разница между сигналами Umax R( ((см) и R( Umax ((см ±((). Кроме того, у гол смещения (см выберем таким образом, чтобы крутизна разностной характеристики была по возможности высокой (для этого необходимо увеличивать (см), а амплитуда полезного сигнала достаточной (необходимо уменьшать (см). При компромиссном решении (см ( 0,6 (0,5.
При сделанных допущениях величина R'( ((см) близка к максимуму, а R"( ((см) ( 0.
Таким образом,
13 EMBED Equation.3 1415 (2.9)
Согласно (2,6)
13 EMBED Equation.3 1415
Пеленгационная чувствительность в соответствии с формулой [2.9) равна
13 EMBED Equation.3 1415
или
(( = 0,15((0,5 (2.10)
Ошибка пеленгования методом сравнения, полученная по формуле (2.10), в 13 EMBED Equation.3 1415 раз меньше ошибки, полученной при использовании максимального метода. (см. 2.7)
Определение направления на шумящий объект методом сравнения можно производить по схеме Гванеллы, в которой напряжение с выхода одной антенны подается на умножитель непосредственно, а напряжение с выхода другой антенны через фазовращающее устройство, сдвигающее все составляющие спектра сигнала на угол (/2. Напряжение с выхода перемножающего устройства подводится к интегратору. На выходе интегратора получается несимметричная автокорреляционная функция входных напряжений. График этой функции отличается от графика разностной характеристики (см. рис. 3) большей крутизной в точке (см.
Пеленгование по схеме Гванеллы отличается большей помехозащищенностью и точностью по сравнению с пеленгованием путем Простого вычитания сигналов.
При фазовом пеленговании прием эхо-сигнала производится двумя антеннами А и В (рис. 4), фазовые центры которых разнесены в пространстве на расстояние d. Разность фаз сигналов, принятых антеннами, определяется разностью хода лучей до антенн: ( = d sin (, где ( угол прихода акустических лучей к антеннам. Отсюда разность фаз сигналов, принятых двумя антеннами, определяется соотношением
13 EMBED Equation.3 1415 (2.11)
Рис. 4. Иллюстрация принципа пеленгования фазовым методом.
Измерив ((, можно по формуле (2.11) определить угол.
При изменении угла ( от нуля до (/2 угол (( меняется в пределах от нуля до (2(/() d. Так как с помощью фазометров можно измерять углы, не превосходящие (, то значение определяется однозначно при sin ( ( ( /(2d).
Чувствительность фазового метода равна
13 EMBED Equation.3 1415 ,
где ( чувствительность метода, которая определяется ошибкой фазометра; ((min минимальный угол отклонения цели от направления (0, при котором еще заметна разница в приращениях фаз на индикаторе фазометра.
Полагая (0 = 0, имеем 13 EMBED Equation.3 1415 .
Для малых значений измеряемых углов синус можно заменить аргументом, тогда 13 EMBED Equation.3 1415 , откуда
13 EMBED Equation.3 1415 (2.12)
При однозначности измерения угла направления на цель, т. е. когда d((/2, ошибка пеленгования
13 EMBED Equation.3 1415 (2.13)
Величина ( зависит от типа фазометра и может принимать значения от 0,1 до 1°.
3. Разрешающая способность ГЛС
Разрешающая способность характеризует способность ГЛС выполнять задачи обнаружения и измерения параметров произвольной цели при наличии других целей, близких по угловым координатам, дальности и скорости.
Разрешающая способность ГЛС по угловым координатам численно характеризуется минимальным углом между направлением на две равноудаленные относительно ГЛС цели, при котором еще возможно их раздельное наблюдение.
Разрешающая способность ГЛС по дальности численно характеризуется минимальным расстоянием между двумя целями, при котором еще возможно раздельное наблюдение этих целей.
Рис 5. К пояснению понятия разрешающей способности ГЛС: а угловые горизонтальные каналы наблюдения; б каналы наблюдения по дальности и угловые вертикальные каналы наблюдения; в каналы наблюдения по скорости; г разрешающий элемент объема
Разрешающая способность ГЛС по скорости численно характеризуется минимальной разностью скоростей двух целей, при которой они распознаются раздельно.
Рис. 5 иллюстрирует понятие разрешающей способности ГЛС. Как показано на рисунке, все пространство, окружающее приемно-излучающую антенну ГЛС, разбито на каналы наблюдения, имеющие тот наибольший объем, в пределах которого нельзя распознавать присутствие более одной цели. Разрешающая способность ГЛС характеризуется: по угловым координатам углами (В и (Г (рис. 5, а и б); по дальности элементом (r = с(и /2 (рис 5,б); по скорости элементом (f (рис. 5, в). На рис. 5, г показан разрешающий элемент объема пространства и носитель ГЛС.
Общее число каналов наблюдения ГЛС можно рассчитать по формуле
Noб = NгNBNrNf, (3.1)
где Nг число пространственных каналов наблюдения в горизонтальной плоскости; NB число пространственных каналов наблюдения в вертикальной плоскости; Nr число пространственных каналов наблюдения по дальности; Nf число частотных каналов наблюдения.
Эффективность обнаружения целей зависит от числа каналов наблюдения. Чем больше число каналов наблюдения, тем выше помехозащищенность приемного устройства ГЛС. Но максимальное количество каналов наблюдения (их может быть более 100 000) ограничено конечной скоростью обработки гидролокационной информации ГЛС.
До сих пор, когда речь шла о характеристиках обнаружения, имелось в виду так называемое обнаружение «в точке». Под этим следует понимать принятие решения (альтернативы) о наличии или отсутствии эхо-сигнала в одном из наблюдаемых каналов.
Как видно из предыдущих рассуждений, ГЛС работает в пространственно-частотно-временной области. Это должно быть учтено при выборе значения вероятности ложных тревог (Рл.т).
Если Рл. т << 1 и вероятность ложных тревог во всех каналах наблюдения одинакова, то
Pл. т = Pл. тNNоб, (3.2)
Где Рл. т вероятность ложных тревог в N - канальной системе; Рл. т вероятность ложных тревог «в точке».
Если вероятность ложных тревог в каналах наблюдения неодинакова, тогда
13 EMBED Equation.3 1415 , (3.3)
где (к интервал времени корреляции помехи; Т0 интервал времени, в течение которого должно произойти не более Р (0) ложных тревог.
Вероятность Р (0), интервал корреляции (к, время Т0 и число альтернатив (число каналов наблюдения) No6 являются заданными параметрами для расчета Рл. т.
Пусть, например, Р (0) = 0,9; Т0 = 10 мин; (к = 1 с; No6 = 100. Тогда, согласно (3.3), имеем
13 EMBED Equation.3 1415 .
После определения Рл.т можно найти коэффициент q при заданной вероятности правильного обнаружения.
3.1. Классификация целей.
В настоящее время ГЛС ведут поиск целей на больших акваториях. Поэтому на индикаторах ГЛС появляется множество целей, которые необходимо классифицировать.
При классификации целей используют хранящиеся в памяти ГЛС информационные характеристики эхо-сигналов от различных целей. Структура приемного устройства ГЛС должна обеспечивать обнаружение сигналов только определенного вида. Качество классификации зависит от способности гидроакустика к визуальной и слуховой классификации эхо-сигналов и степени его натренированности.
Для уверенной классификации целей стремятся к постоянному накоплению новой информации о принадлежности эхо-сигналов к тому или иному классу целей, к использованию спектральных, корреляционных, спектрально-временных и других признаков эхо-сигналов от целей различных классов, к улучшению методов представления оператору информации о Гидролокационной обстановке.
4. Параметры ГЛС
4.1. Тактические и технические параметры ГЛС.
Возможности использования ГЛС определяются ее тактическими и техническими параметрами.
К тактическим параметрам ГЛС относятся: дальность действия, точность ее определения, разрешающая способность по дальности, точность определения угловых координат и разрешающая способность по угловым координатам, минимальная дальность действия и др.
К техническим параметрам ГЛС относятся: рабочая частота, длительность импульса излучения, частота повторения импульсов, акустическая мощность излучения, ширина характеристики направленности антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях, коэффициент осевой концентрации, метод обзора, методы измерения дальности и угловых координат, тип оконечного устройства (индикатора) и др.
Ниже рассмотрим взаимосвязь тактических и технических параметров ГЛС.
4.2. Дальность действия.
Дальность действия определяется наибольшим расстоянием, на котором ГЛС выполняет свои тактические функции при заданной вероятности правильного обнаружения и ложных тревог.
Рассмотрим зависимость дальности действия ГЛС от частоты повторения излучаемых импульсов. Дальность до цели измеряется однозначно лишь в тех случаях, когда время задержки tз меньше периода повторения импульсов Тпов. В противном случае однозначность измерения дальности до цели нарушается. Все k целей, для которых время запаздывания равно tзk = tз + (k 1) Tпов tз время задержки сигнала ближайшей цели), дадут отметки на экране индикатора ГЛС в одном и том же месте. Поэтому для исключения неоднозначности измерения дальности до цели период повторения импульсов излучения при заданной дальности действия rmax должен удовлетворять условию
Tпов > tз mах = 2rmах/С, (4.1 )
Частота повторения излучаемых импульсов должна удовлетворять условию
13 EMBED Equation.3 1415 (4.2)
4.3. Точность определения дальности.
Точность измерения дальности в основном зависит от условий распространения акустических волн в водной среде от точности измерения времени запаздывания эхо-сигнала относительно момента излучения импульса.
Предположим, что время запаздывания t3 = const; тогда из соотношения r = сtз/2 можно найти ошибку измерения дальности из-за изменения скорости звука с: (r/r = (с/с.
Наибольшее изменение скорости звука в Мировом океане относительно среднего значения с = 1500 м/с составляет величину (с/с = ± 6,7 ( 102. Максимальная амплитуда годовых колебаний относительного изменения скорости звука составляет (c/c = 3,75 ( 10-3. Среднесуточные относительные изменения на поверхности океана редко превышают величину. (с/с = 3,5 ( 10-3. Вертикальные градиенты скорости звука в слое скачка, обусловленном резким изменением температуры и солености, в среднем не превышают 3,5 ( 10-4 на 1 м глубины.
На точность измерения дальности до цели влияет уровень помех. Если отсчет дальности производить по переднему фронту импульса, то, появляется ошибка в измерении дальности до цели или ее эквивалента (t3.
При визуальном способе отсчета дальности с помощью масштабных линий шкалы индикатора на точность измерения влияют ошибки интерполяции, фиксации и ошибки, обусловленные недостаточной фокусировкой, электронного луча электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).
При недостаточно хорошей фокусировке электронного луча ЭЛТ появляется дополнительная ошибка, которая не превышает размеров пятна цели на экране ЭЛТ, выраженных в единицах дальности.
4.4. Разрешающая способность по дальности.
Разрешающая способность по дальности зависит от длительности импульса излучения и типа применяемого индикатора.
Рис. 6. К пояснению разрешающей способности ГЛС по дальности: a - пространственное расположение ГЛС и целей; б – отметки целей на экране индикатора.
На рис. 6, а показаны две цели Ц1 и Ц2 с одинаковыми угловыми координатами. Отметки целей в идеализированном случае изображены на рис. 6, б. При сближении целей две отметки образуют двугорбую кривую, которая при малом интервале между целями (t3 становится одногорбой. Если принять в качестве условия разрешения двух целей наличие впадины между ними (дву-горбости кривой), то разрешающая способность будет равна
(rпот = r2-r1 = c(/2 (4.3)
Идеальная разрешающая способность (4.3) является фактически потенциальной, т. е. предельно возможной.
Реальная разрешающая способность по дальности отличается от потенциальной. Например, в ГЛС с визуальными индикаторами существенное влияние на разрешающую способность по дальности оказывает ширина следа электронного луча на экране ЭЛТ или ширина записи отметки цели на бумаге устройства записи.
Масштаб шкалы записи индикатора, выраженный обычно в миллиметрах на километр (отношение интервала шкалы к соответствующей дальности).
При крупном масштабе (малой шкале дальности) разрешающая способность приближения к потенциальной. При мелком масштабе (большой шкале дальности) разрешающая способность определяется главным образом разрешающей способностью индикатора.
При использовании в ГЛС слухового индикатора разрешающая способность определяется физиологическими особенностями человеческого уха. Ощущение громкости устанавливается при длительности слухового воздействия 0,2 с. Время, равное 0,2 с, называется адаптацией слуха к звуковому воздействию. Два следующих друг за другом звуковых сигнала с интервалом, не превышающим 50 мс, воспринимаются слитно, а при интервале, превышающем это время, раздельно, т. е. разрешающая способность слухового индикатора (rинд > 40 м.
Таким образом, потенциальная разрешающая способность ГЛС по дальности увеличивается с уменьшением длительности импульса излучения. Но при уменьшении длительности импульса излучения уменьшается дальность действия ГЛС. Чтобы избежать ухудшения тактических параметров ГЛС (разрешающей способности по дальности и дальности действия), при излучении применяют сложные сигналы.
4.5. Точность измерения угловых координат и разрешающая способность по угловым координатам.
Точность измерения угловых координат цели зависит от метода пеленгования (см. п. 2) и отношения энергии эхо-сигнала к спектральной мощности помехи.
При максимальном методе пеленгования потенциальная точность измерения угловых координат определяется формулой:
13 EMBED Equation.3 1415 , (4.4)
где (0,5 ширина ХН по мощности на уровне 0,5, град; Е энергия эхо-сигнала, Вт ( с; Рсп спектральная мощность помехи, Вт/Гц.
Рассмотрим основные соотношения для разрешающей способности по углу при определении угловых координат цели максимальным методом.
Пусть, как это показано на рис. 7, а, происходит вращение характеристики направленности с угловой скоростью (°/с. Тогда две равноудаленные цели создадут на выходе приемного устройства перекрывающиеся пачки импульсов. Совпадающие, импульсы этих пачек (рис. 7, б) образуются вследствие облучения целей одним и тем же импульсом излучения. Так как огибающая пачка соответствует ХН антенны, то пересечение огибающих на уровне 0,5 означает угловой сдвиг целей на ширину ХН. Таким образом, потенциальная разрешающая способность по углу
((пот = (0,5 (4.5)
Разрешающая способность по углу зависит также от примененного индикатора. Из рис. 7, в следует, что диаметр пятна dп обусловливает появление ошибки
((инд = dп/( (4.6)
где ( радиус соответствующей отметки на экране.
Для индикаторов кругового обзора характерна зависимость разрешающей способности по углу от положения отметки цели относительно центра экрана. По мере приближения отметки к центру экрана разрешающая способность по углу ухудшается.
Рис. 7. К пояснению разрешающей способности ГЛС по угловым координатам: а взаимное расположение в пространстве характеристики направленности и двух целей; б временные диаграммы напряжений эхо-сигналов от двух целей на входе усилительного тракта ГЛС; в отметки целей на индикаторе кругового обзора
4.6. Минимальная дальность действия.
Минимальной дальностью действия ГЛС называется наименьшее расстояние до цели, при котором обеспечивается обнаружение цели и измерение ее координат. Минимальная дальность действия ГЛС зависит от длительности излученного импульса. Отраженный от близко расположенной цели сигнал можно увидеть на экране индикатора, если отметка от цели появляется после окончания излучения импульса. Так как длительность излученного импульса равна (и, минимальная дальность действия определяется выражением
13 EMBED Equation.3 1415 (4.7)
Кроме того, по окончании излучения импульса приемное устройство остается на некоторое время закрытым, так как в его усилительном тракте осуществляется модуляция чувствительности по закону убывания среднего уровня интенсивности реверберационной помехи. Таким образом, минимальная дальность действия ГЛС, начиная с которой возможно наблюдение эхо-сигнала, равна
rmin = c((и + (в)/2, (4.8)
где (в время восстановления чувствительности усилительного тракта приемного устройства.
Так, например, при длительности импульса излучения (и = (в = 0,2 с минимальная дальность действия ГЛС оказывается равной 300 м.
Если акустическая антенна ГЛС имеет узкую ХН в вертикальной плоскости, то минимальная дальность действия ГЛС может возрасти.
При ширине ХН в вертикальной плоскости (В = 25 ( 30° минимальная дальность действия равна
rmin = (3( 6) h, (4.9)
где h глубина погружения цели, м.
5. Структурные схемы ГЛС
5.1. Классификация ГЛС.
Современные ГЛС классифицируются по назначению, принадлежности к носителям и береговым объектам флота, месту расположения акустической антенны, способу обзора акватории и т. д.
По назначению ГЛС подразделяются на ГЛС обнаружения подводных лодок, торпед, надводных кораблей и др.
По принадлежности к носителям различают ГЛС надводных кораблей, ГЛС подводных лодок, вертолетные и береговые.
В зависимости от места расположения акустической антенны различают ГЛС с антенной в носовом обтекателе (подкильные антенны); с антенной, совмещенной с обводами корабля; с буксируемой антенной и с опускаемой антенной.
По способу обзора акватории ГЛС подразделяются на ГЛС шагового поиска, кругового обзора и др.
5.2. Структурная схема ГЛС шагового поиска.
Принцип действия ГЛС шагового поиска заключается в следующем. Антенна, находящаяся в неподвижном состоянии, излучает акустический импульс. Через интервал времени tз = 2rmax/c, где rmах дальность действия ГЛС, антенна автоматически поворачивается на угол ((, и производится новая посылка акустического импульса. Угол ((, на который поворачивается антенна, называется шагом поиска. Шаг поиска определяется шириной ХН: (( = (0,7, где (0,7 ширина ХН по уровню 3 дБ. Количество шагов поиска зависит от сектора обзора. Так, для сектора обзора, равного 120°, количество шагов поиска при (0,7 = 20° равно шести.
Простейшая ГЛС шагового поиска (рис. 8) состоит из двух приемно-излучающих антенн А1 и А2, электрического коммутатора приема передачи КПП, импульсного генератора Г1, двухканального усилителя, генератора развертки ГЗ, слухового усилителя, индикатора на электронно-лучевой трубке ЭЛТ, устройства записи УЗ и громкоговорителя Гр.
Двухканальный усилитель составлен из трансформаторов суммы Тр( и разности Тр(, усилителей сигналов УС1, преобразователей частоты, состоящих из смесителя См, генератора Г2 и фильтра Ф1, и оконечных усилителей УС2.
Слуховой усилитель включает в себя: удвоитель частоты УЧ с фильтром Ф2, преобразователь частоты (блоки См, Г4 и Ф3), усилитель мощности УС3.
Для подачи сигналов на вход устройства записи УЗ имеется усилитель мощности УС4 и детектор Д.
В режиме излучения ГЛС работает следующим образом. Импульсы запуска УЗ, следующие с интервалом времени Тпов = 2rmax/c, подаются на Г1. С приходом импульсов запуска Г1 вырабатывает мощные электрические импульсы длительностью (и, которые через КПП подаются на обе акустические антенны. Электрические импульсы преобразуются антеннами в акустические импульсы излучения. Незначительная часть электрической энергии Г1 в режиме излучения поступает на вход приемно-усилительного тракта, что фиксируется на бумаге устройства записи УЗ и экране трубки ЭЛТ нулевыми отметками. В громкоговорителе Гр прослушивается сигнал импульса излучения.
Рис. 8. Структурная схема ГЛС шагового поиска
В режиме приема Г1 отключается от антенны с помощью КПП. Эхо-сигналы преобразуются антеннами в электрические импульсы, которые через КПП поступают на вход двухканального усилителя,
В двухканальном усилителе происходит обработка сигналов таким образом, что при подаче их на отклоняющие пластины ЭЛТ на экране получается прямая развертка. Если разность фаз принимаемых эхо-сигналов будет равна нулю (антенны направлены на цель), то развертка на экране занимает вертикальное положение. При вертикальном положении развертки отсчитывают курсовой угол цели по стрелочному указателю, механически связанному с поворотным устройством антенн.
Прослушивание эхо-сигнала осуществляется с помощью слухового усилителя и громкоговорителя. Для переноса высокочастотного спектра эхо-сигнала в область частот, удобных для прослушивания, применена схема супергетеродинного усилителя, состоящего из блоков Г4, См и Ф3.
С помощью блоков У4 и Ф2 производится расширение полосы доплеровского смещения частоты, что способствует улучшению распознавания скорости цели.
Расстояние до цели отсчитывают по шкалам УЗ и ЭЛТ.
ГЛС шагового поиска имеют дальность действия, не выше 2 4 км. Это объясняется тем, что для локации дальних целей на больших скоростях носителя ГЛС скорость обзора акватории незначительна. Так, например, для обследования сектора, равного 360°, при шаге поиска, составляющем 15°, необходимо послать и принять, как минимум, 24 импульса. При дальности действия, равной 10 км, требуется время обследования не менее 6 мин, т. е. цель обнаруживается с большим опозданием (за 6 мин современная подводная лодка может удалиться на расстояние более 10 км).
Увеличение дальности действия ГЛС требует применения низких частот, в результате чего размеры и масса акустической антенны, особенно при быстром сканировании ХН, становятся настолько большими, что механический поворот акустической антенны оказывается невозможным. Поэтому в настоящее время в ГЛС применяется искусственный метод поворота ХН антенны.
Рис. 9 структурная схема ГЛС шагового поиска
с временной компенсацией прихода сигналов.
Для поворота ХН в заданном направлении ( (рис. 9) необходимо создать распределение фаз акустического давления по элементам антенны так, чтобы колебания по линии ll( складывались с одинаковой фазой. Антенна при этом как бы поворачивается на угол (, а ее действующий раскрыв (проекция излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения) уменьшается в Da (1cos () раз, где Da линейный размер антенны.
Для получения cинфазных колебаний по линии ll( (рассматривается режим излучения, но в режиме приема картина аналогична) необходимо, чтобы акустические колебания на линии ll( появились в один и тот же момент времени или, распространяясь от поверхности антенны, дошли до линии ll( с одинаковой фазой в каждой точке.
Для того чтобы акустические колебания от элементов антенны появились на линии ll( в одно и то же время, достаточно задержать акустические колебания от элемента Пр5 на время al' /с, от Пр4 на ad' /с, от Пр3 на аb' /с, от Пр2 на ab' /c, где с скорость звука в воде.
Для получения одинаковой фазы акустических колебаний на линии ll( необходимо, чтобы фазы по элементам антенны распределялись следующим образом: для элемента Пр5 фаза должна быть равна (аl( /с, для Пр4 (аd( /c, для Пр3 (ас'/с, для Пр2 (аb /с и для Пр1 0, где ( рабочая частота ГЛС.
Поясним принцип действия ГЛС с электронным сканированием ХН, структурная схема которой показана на рис. 9.
В режиме излучения электрические импульсы излучения от генератора Г поступают на одну из линий задержки (ЛЗ), с выхода которой сигналы подаются на усилитель мощности УС1. Мощные электрические импульсы, проходя через КПП, возбуждают элементы акустической антенны. Задержки в ЛЗ подобраны таким образом, что происходит излучение акустической энергии по одному из направлений. С помощью электронного коммутатора ЭК1 происходит сканирование ХН в секторе, равном примерно ± 60° относительно угла ( = 0. Полное время излучения Тизл = 2n(и, где n число ЛЗ; (и длительность импульса излучения в одном секторе.
В режиме приема происходит формирование 2n статических ХН с помощью ЛЗ. Предварительные усилители УС2 согласуют выходы элементов антенны с входами ЛЗ. С помощью электронного коммутатора ЭК2 происходит быстрое сканирование по выходам ЛЗ и передача сигналов через усилитель УСЗ на индикатор Инд. Скорость сканирования должна быть такой, чтобы можно было получить 46 выборок из каждого ожидаемого эхо-сигнала. Например, при длительности эхо-сигнала (эх = 0,2 с и числе выхо дов ЛЗ, равном 30, частота вращения ЭК2 должна быть равна 5901100 об/с.
5.3. ГЛС кругового обзора.
ГЛС кругового обзора позволяют за один цикл излучения приема вести наблюдение за целями, находящимися в секторе, равном 360 o.
Основными элементами ГЛС кругового обзора (рис. 10) являются:
неподвижная круговая или эллиптическая антенна КА, составленная из отдельных направленных в горизонтальной плоскости преобразователей;
электронные коммутаторы приема передачи КПП;
предварительные усилители сигналов УС, число которых соответствует количеству преобразователей в антенне;
электрические линии задержки ЛЗ2, предназначенные для формирования ХН;
сканирующее устройство СУ, предназначенное для последовательного сбора информации в каждом канале;
основной усилитель эхо-сигналов ОУ;
электронный индикатор Инд, в котором применяется трубка с большим послесвечением, магнитным отклонением и яркостной модуляцией луча;
генератор круговой развертки Г1, питающий отклоняющие катушки ЭЛТ;
коммутатор поворота характеристики направленности в режиме излучения КПХН;
10) мощные усилители УСУ, предназначенные для возбуждения преобразователей антенны;
11) линия задержки Л31, предназначенная для формирования ХН в режиме излучения;
12) задающий генератор Г2.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 10 структурная схема ГЛС кругового обзора
Элементы КПХН, СУ, КПП и Г1 действуют синхронно.
Поясним принцип действия рассматриваемой ГЛС.
В режиме излучения КПП подключает преобразователи антенны КА и УС1. В исходном положении коммутатора КПХН на преобразователи 1, 4 и 7 антенны сигналы от Г2 подаются с задержкой во времени, а на преобразователи 2, 3, 5, 6, 8 и 9 без задержки. Задержка сигналов производится в линии Л31 и подобрана таким образом, что в пространстве формируются три ХН, сдвинутые относительно друг друга на 120°. Максимумы ХН совпадают с направлением излучения преобразователей 1, 4 и 7 антенны. При повороте ротора КПХН на 120° по часовой стрелке направления максимумов ХН будут соответствовать направлениям излучения преобразователей 2, 5 и 8. И, наконец, при следующем повороте ротора КПХН излучение будет происходить в направлении преобразователей 3, 6 и 9.
Таким образом, вся акватория озвучивается в три приема с требуемой длительностью при каждом фиксированном положении ротора КПХН. Порционное излучение позволяет увеличить излучаемую акустическую мощность и обеспечить требуемую дальность действия ГЛС.
В режиме излучения акустическая антенна обладает некоторой направленностью и в вертикальной плоскости.
За время паузы между посылками импульсов происходит обработка гидролокационной информации приемным устройством ГЛС. С помощью линий задержки Л32 формируется n статических ХН по числу преобразователей в КА. Так, например, в направлении преобразователя 1 ХН формируется следующим образом: сигнал от преобразователя подвергается максимальной задержке в ЛЗ2, равной времени прохождения звука от фронта волны преобразователя 1 до фронта волны преобразователей 3 и 8; сигналы от преобразователей 2 и 9 подвергаются задержке в ЛЗ2, равной времени прохождения звука от фронта волны преобразователя 1 до фронта волны преобразователей 2 и 9; сигналы от преобразователей 3 и 8 задержке не подвергаются.
С помощью сканирующего устройства СУ выходы линии задержки ЛЗ2 подключаются к основному усилителю ОУ. Сигналы с выхода ОУ подаются на индикатор Инд. Вращение подвижного контакта СУ происходит синхронно с вращением развертки ЭЛТ. Скорость вращения подобрана так, что подвижный контакт СУ подключается к каждому выходу ЛЗ2 несколько раз за время, равное длительности эхо-сигнала. С появлением эхо-сигнала на выходе какой-либо ЛЗ2 на экране ЭЛТ индикатора высвечивается яркостная отметка.
ГЛС, построенная по подобной структурной схеме, обеспечивает пеленгацию максимальным методом, точность которого равна, ширине ХН по уровню 3 дБ.
Рис. 11. Структурная схема усилительного тракта приемного устройства ГЛС кругового обзора
Для уточнения угловых координат цели используется фазовый метод пеленгования.
Приемное устройство, структурная схема которого приведена на рис. 2.21, отличается от ранее рассмотренного (см. рис. 11) лишь методом формирования и поворота ХН. Формирование и поворот ХН осуществляются с помощью прибора, называемого индукционным компенсатором.
Индукционный компенсатор состоит из ротора и статора. Передача сигнала от блоков УС, показанных на рис. 11, к линиям задержки ЛЗ1а и ЛЗ1б (см. рис. 2.21) происходит с помощью трансформаторов. Половины сердечников с первичными обмотками трансформаторов расположены на статоре, а другие половины сердечников со вторичными обмотками на роторе. Первичные обмотки трансформаторов подключаются к УС, а вторичные обмотки к линиям задержки ЛЗ1а и ЛЗ1б. С помощью этих линий задержки формируются две ХН, обеспечивающие фазовый метод пеленгования.
Ротор индукционного компенсатора может приводиться во вращение вручную оператором с помощью устройства синхронно-следящей передачи или автоматически в режиме сопровождения цели по курсовому углу.
Заключение
Развитие технических средств гидролокации происходит по двум направлениям: совершенствование существующих и проектирование новых типов ГАС.
На современном этапе успешно применяется статистическаят: теория гидролокации и автоматизация первичной и вторичной обработки гидролокационной информации.
Статистической теорией гидролокации установлено, что важнейшей характеристикой ГАС является вероятность правильного обнаружения цели, определяемая при оптимальном приеме только энергией импульса излучения и не зависящая от его длительности, формы и ширины частотного спектра. Это дает возможность в современных ГАС варьировать структуру сигнала, удовлетворяя требованиям точности измерения расстояния до цели, ее угловых координат и скорости на заданной дальности.
Техническим воплощением статистической теории гидролокации является используемая в настоящее время техника сжатия импульсов, позволяющая повысить точность и разрешающую способность по дальности при ограниченной пиковой мощности и большой дальности обнаружения. Можно считать, что техника сжатия импульсов объединяет некоторым образом преимущества импульсного и непрерывного методов излучения акустической энергии в гидролокации.
Современный уровень развития техники позволяет выполнить значительную часть операций по обработке гидролокационной информации в ГАС с помощью ЦВМ.
В последние годы развивается новое направление в создании ГАС, связанное с общей тенденцией применения самонастраивающихся (адаптивных) устройств. Уже сегодня имеется принципиальная возможность по результатам проведенных наблюдений изменить структуру излучаемого импульса и способ обработки гидролокационной информации в зависимости от наблюдаемой ситуации. Характерным примером такого рода может служить ГАС с опускаемой акустической антенной, которая, определив грубо местоположение и скорость цели, а также оценив помеховую обстановку и гидроакустические характеристики океана, автоматически изменяет глубину погружения антенны, вид импульса излучения и (или) метод приема с тем, чтобы наилучшим образом выделить эхо-сигнал от предполагаемой цели из имеющихся помех, а также определить координаты цели. По мере уточнения реальной обстановки такой процесс адаптации ГАС непрерывно продолжается.
Важнейшей и перспективной областью гидроакустики является гидроакустическая телеметрия, позволяющая решать широкий круг задач по освоению Мирового океана.
Перспективной областью гидроакустики считается звуковидение получение визуальных изображений объектов с помощью акустических колебаний. Ожидается, что аппаратура позволит получить зрительное изображение небольших по размеру предметов даже в условиях полного отсутствия оптической видимости.
Список используемой литературы
1. Зуфрин А.М. «етоды построения судовых автоматических угломерных систем» 408 с.
2. Колчеданцев А.С. «Гидроакустические станции: учебник для судостроительных техникумов» – Л.: Судостоение, 1982. – 240 с., ил.
3. Леонов Ф.И., Фомичев К.И. «Моноимпульсная радиолокация» «Радио и связь», 1984.
13PAGE 15
13PAGE 14115
Root EntryEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation NativeEquation Native
Приложенные файлы
