К.П. Борисенко, В.Б. Митько
Автоматические системы и технические средства корабельных комплексов
Книга 1
Гидроакустические комплексы надводных кораблей.
Принципы построения и решаемые задачи.
Оглавление
ПРЕДИСЛОВИЕ.. 3
Введение. 4
Глава 1. Физические характеристики гидросферы, влияющие на принципы построения и функционирования гидроакустических средств надводных кораблей. 6
1.1. Классификация гидроакустических средств надводных кораблей и решаемые ими задачи в системе ПЛО 6
1.2. Физические параметры гидроакустической информационной системы.. 8
1.3. Тактические характеристики современных ГАС НК.. 11
1.4. Технические характеристики современных ГАС НК.. 22
Глава 2. Модели сигналов и помех в гидроакустических информационных системах. 39
2.1.Акустические характеристики по первичному гидроакустическому полю.. 39
2.2. Характеристики морских объектов по вторичному гидроакустическому полю.. 46
2.3. Поле помех работе ГАС.. 49
Глава 3. Влияние канала распространения на характеристики гидроакустических полей. 58
3.1. Потери, обусловленные поглощением и рассеянием гидроакустических сигналов в водной среде 58
3.2. Влияние поверхности и дна на формирование акустических полей. 62
3.3. Влияние пространственной неоднородности скорости звука на формирование акустического поля в реальной среде. 68
Глава 4. Оптимальные методы обработки гидроакустических сигналов и полей. 88
4.1. Алгоритмы обнаружения морских объектов и реализующие их структуры.. 88
4.2. Алгоритмы оценки параметров и реализующие их структуры измерителей координат морских объектов 112
4.3. Алгоритмы оценивания и реализующие их структуры устройств распознавания морских объектов 126
4.4. Методы фильтрации гидроакустических сигналов. 135
Глава 5. Принципы применения ГАС НК при решении задач ПЛО.. 144
5.1. Поиск объекта в районе. 145
5.2. Учёт факторов, ограничивающих поисковые возможности корабля. 148
5.3. Преследование обнаруженного объекта. 152
Глава 6. Принципы построения гидроакустических средств надводных кораблей. 156
6.1. Гидролокаторы с подкильными антеннами. 159
6.2. Гидролокаторы с буксируемыми сосредоточенными антеннами. 168
6.3. Гидролокаторы с гибкими протяженными буксируемыми антеннами. 170
6.4. Обтекатели гидроакустических антенн. 180
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.. 190
Л И Т Е Р А Т У Р А.. 193
ПРЕДИСЛОВИЕ
Данная книга представляет собой учебник по основам гидроакустики и принципам построения гидроакустических систем надводных кораблей для студентов 4-5 курса высших учебных заведений, в рамках курса «Автоматические системы и технические средства корабельных комплексов».
Авторы стремились изложить в доступной форме физическую сущность гидроакустики, как науки о распространении звуковых сигналов в водной среде, дать представление о законах распространения звуковых колебаний, свойствах среды и способах математической обработки звуковых сигналов в современных гидроакустических станциях (ГАС). Так же в книге подробно рассмотрен вопрос структуры построения современных гидроакустических комплексов, их приборный состав и тактико-технический характеристики на примере ряда зарубежных и отечественных ГАС.
Книга не претендует на объемный, освещающий все аспекты гидроакустики труд, однако дает достаточно полное представление о самой сути процессов распространения гидроакустических сигналов и способов их обработки. Алгоритмы обнаружения морских объектов и оценки их параметров, представленные в данной работе способны с большой степенью вероятности реально распознавать эти объекты и определять их координаты.
Авторы приносят благодарность рецензентам академику Арктической академии, д.в.н, профессору Волгину П.Н. и член-корреспонденту Международной академии информатизации, к.т.н., доценту Сергееву В.А. за полезные критические замечания, которые позволили существенно улучшить качество излагаемого материала. А так же сотрудникам Санкт-Петербургского Государственного морского технического университета Каравайникову М.В. и Плотникову В.Е. за существенную помощь в оформлении работы.
Введение
С начала 60-х гг. прошлого столетия основной ударной силой флотов ведущих мировых держав стали АПЛ, оснащенные ракетно-ядерным оружием. До сего времени они рассматриваются как самая мощная потенциальная угроза для наземных и морских объектов. АПЛ практически единственный носитель оружия, труднодоступный для наблюдения, в том числе из космоса. В связи с этим возникла необходимость создания эффективной системы противолодочной обороны (ПЛО). В период холодной войны ВМС США рассматривали следующие возможные решения проблемы ПЛО [21]: поиск АПЛ в открытом океане; барьерное патрулирование; «стратегия прикрытия» транспортов или авианосцев силами конвоев.
При решении всех этих задач ведущая роль принадлежала гидроакустическим средствам НК, особенно после падения эффективности созданной США стационарной пассивной системы дальнего гидроакустического наблюдения SOSUS (Sound Surveillance System) из-за снижения уровня шумности АПЛ Военно-Морского Флота СССР. Значительным шагом в развитии корабельных гидроакустических средств ПЛО следует считать появление мощных ГАС типа AN/SQS-26 в США и МГК-335 в СССР. В этих комплексах для обнаружения ПЛ в первой ДЗАО использовались как развитые подкильные, так и буксируемые антенны переменной глубины (АПГ). Однако с течением времени возможности увеличения дальности обнаружения ПЛ системами с такими антеннами оказать постепенно исчерпанными, что определялось комплексом причин: тактических, технических и эксплуатационных. С одной стороны, ПЛ, имея эффективную систему обнаружения гидролокационных сигналов (ОГС), могла заблаговременно обнаружить корабли ПЛО и предпринять соответствующий маневр уклонения. С другой стороны, увеличению дальности обнаружения препятствовал процесс совершенствования антигидролокационного покрытия корпуса ПЛ. Наконец, эксплуатация АПГ оказалась достаточно сложной. Указанные факторы обусловили имевший принципиальное значение отказ BMC США в середине 1970-х годов от активных ГАС с АПГ и замену их шумопеленгаторными ГАС с ГПБА. В развитие этой концепции ВМС США реализовали целевую программу TASS (Towed Array Sensor System), в рамках которой были созданы ГАС с ГПБА для НК, ПЛ и судов дальнего гидроакустического наблюдения в океане типа «T-Agos», оснащенных ГАС SURTASS. Значительные дальности обнаружения ПЛ с помощью этой ГАС, а также сам принцип обработки информации, предусматривающий ее трансляцию на береговые посты и последующую передачу данных об обнаруженных целях маневренным силам ПЛО, давал основания рассматривать систему SURTASS как мобильный вариант системы SOSUS. Дальнейшим шагом в совершенствовании систем освещения подводной обстановки в океане стало создание в Великобритании активно-пассивной ГАС с ГПБА ACTAS, представляющей собой по существу гибрид активной ГАС с АПГ и шумопеленгаторной ГАС с ГПБА. В дальнейшем это направление получило развитие в ВМС Великобритании, США, Франции и Германии.
В России первые работы по созданию ГАС с ГПБА были начаты в середине 1960-х гг. на основе научных исследований, выполненных в ЦНИИ «Морфизприбор» и в Научно-исследовательском радиофизическом институте (Нижний Новгород). Первые отечественные ГАС с ГПБА были ориентированы на использование инфразвукового диапазона. При этом в качестве полезного сигнала использовались дискретные составляющие в спектре шумоизлучения АПЛ из так называемого вально-лопастного звукоряда. Позже приоритетными для ГАС с ГПБА стали «дискреты», обусловленные работой механизмов АПЛ и находящиеся в диапазоне низких звуковых частот. В результате в середине 1980-х гг. основные системотехнические решения зарубежных и отечественных ГАС с ГПБА сблизились.
Наряду с задачами ПЛО современный ГАК НК решает еще несколько задач, связанных с обеспечением самообороны от торпедного оружия, сверхдальним обнаружением сильно шумящих целей — соединений НК, АУГ, крупнотоннажных судов и т. п. Перечень задач, решаемых ГАК НК, иллюстрирует рис. В.1.