Векторно-скалярные приёмники в гидроакустических средствах обнаружения ВМС США

В. Спиридонов,
кандидат технических наук

Векторно-скалярные приемники (ВСП) начали недавно применяться в стационарных и быстроразвертываемых гидроакустических сетевых системах обнаружения подводных лодок (ПЛ), а также в буксируемых линейных антеннах надводных кораблей (НК).

Большое внимание к данным приемникам, которые в период до 2007 года практически не использовались в боевых системах, вызвано рядом нерешенных технологических проблем. Руководством ВМС США принято решение по совершенствованию технологий, позволяющих обеспечить быстрое и надежное обнаружение и определение местоположения ПЛ как в мелководных районах, так и в глубоком море, а также обеспечить защиту кораблей от подводных угроз, в том числе от торпед.

Гидроакустические буи американской кампании "Ультра электроникс", представленные на выставке в 2018 году. Слева изображен современный стандартный буй ОВМС НАТО типа А, Буй нового поколения (в середине) оснащен векторно-скалярным приемникам, что уменьшило его высоту до 314 мм при диаметре 123 мм, что в 3 раза меньше, чему стандартного. Справа показан вариант спроектированного буя еще меньших размеров

Кардиоидная характеристика направленности антенны, обеспечивающая мгновенное определение курсового угла и пеленга на цель.

Конструкция монокристаллического акселерометра, работающего на сдвиговой моде

Восъмисегментный многомодовый гидрофон, применяемый в улучшенной версии преобразователя радиогидроакустического буя AN/SSQ-62 (слева и в середине); кардиоиды первого и второго порядка (справа). Из рисунка видно, что кардиоида второго порядка (синяя линия) имеет более узкую полосу частот, а значит меньшую помеху и большую точность пеленгования. Кроме того, максимальное значение показателя направленности равно 7 дБ, что на 2,2 дБ больше, чему преобразователя, который управляет кардиоидой первого порядка

Отображение смоделированного местоположения источника излучения, локализованного на корпусе ПЛ

По проекту SB011-005 проводилась работа, связанная с решением имеющихся технологических проблем. В результате были созданы направленные акустические приемники, в которых использовались перспективные многомодовые гидрофоны или однокристальные векторные приемники. В настоящее время они поставляются в ВМС для применения в линейных буксируемых решетках, радиогидроакустических буях, стационарных антенных решетках и акустических системах перехвата.

Внедрение однокристальных векторных приемников нового поколения обеспечит: решение вопроса неоднозначности пеленга (правый или левый борт) при использовании линейных антенн в процессе обнаружения подводных лодок и торпед, что увеличит вероятность их уничтожения; уменьшение апертуры стационарных антенн; значительное снижение габаритов и стоимости радиогидроакустических буев, что позволит брать на борт вертолета, БПЛА или самолета противолодочной обороны большое их количество для использования в мультистатических сетевых системах. Основным разработчиком ВСП является корпорация АПС (APS - Applied Physical Sciences).

Векторные датчики и многомодовые гидрофоны характеризуются как сверхнаправленные устройства, которые обеспечивают хорошую отстройку от помех и достаточно высокую точность пеленгования. Они могут реализовать множество различных технологий преобразования, но в данном случае рассмотрен так называемый инерциальный тип, то есть датчик, содержащий отдельные преобразователи для измерения акустического давления и скорости (или ускорения) частиц в единой точке пространства. Конструктивно это достигается путем установки всенаправленного гидрофона и трех ортогональных акселерометров в жестком корпусе с нейтральной плавучестью, размеры которого малы по сравнению с регистрируемой длиной волны. Гидрофон фиксирует акустическое давление (скалярная величина), а акселерометр измеряет ускорение частиц (векторная величина).

Выходное напряжение датчиков, измеряющих ускорение частиц, может быть объединено с выходом гидрофона, для того чтобы сформировать кардиоиду первого порядка, которая является однонаправленной и может быть использована для определения направления распространения акустической энергии. Двухкомпонентные векторные приемники могут при помощи электроники управлять кардиоидами по азимуту и иметь показатель направленности 4,8 дБ. Трехкомпонентные могут таким же образом управлять кардиоидами по азимуту и углу места и иметь показатель направленности 6 дБ.

Когда векторные датчики используются в линейной буксируемой решетке, то кардиоидная характеристика направленности антенны обеспечивает мгновенное определение курсового угла и пеленга на цель, то есть решает вопрос неоднозначности пеленга.

Наиболее сложными проблемами были миниатюризация векторных датчиков и создание акселерометра со сверхнизким уровнем собственных электронных помех. Так, на втором этапе работ по проекту SB011-005 было продемонстрировано, что при соответствующем использовании сдвиговой моды по кристаллографической оси <111> элементов, изготовленных из PMN-PT-керамики, собственная электронная помеха векторного датчика будет меньше на 20 дБ по сравнению с обычной PZT-керамикой. В данном случае оценка базировалась на измерении добротности 30 образцов акселерометров. Этот прибор очень эффективен для частот выше 1 кГц. Такие векторные датчики пригодны для использования в системах противоторпедной обороны и мультистатиче-ских гидроакустических системах обнаружения. Альтернативные разработки, нацеленные на улучшение возможностей гидроакустических систем обнаружения ГШ, также были проведены для диапазона частот ниже 1 кГц.

Многомодовые гидрофоны формируются в виде пьезоэлектрических колец, имеющих секционированные электроды. Они же являются кольцевой решеткой гидрофонов. Эта кольцевая решетка может быть использована для расчета n-го порядка градиента давления падающей звуковой волны. Кольца, которые имеют четыре равноудаленных и симметрично расположенных сегмента, представляют собой устройства, измеряющие нулевой градиент и градиент давления первого порядка, которые аналогичны скалярному и векторному режимам работы кольца (то есть скалярная мода имеет всенаправленную характеристику, а векторная - дипольную). По существу, обычные многомодовые гидрофоны могут формировать кардиоиды первого порядка и таким образом определять пеленг на цель, расположенную в плоскости кольца.

Перспективные многомодовые гидрофоны разработаны в рамках второго этапа работ над этим проектом. В ходе них были сконструированы пьезоэлектрические кольца с восемью равноудаленными и симметрично расположенными сегментами. Удвоение количества сегментов помогло измерять градиент давления второго порядка и потому послужило основой для формирования кардиоиды.

Векторные датчики и многомодовые гидрофоны уже находятся на этапе внедрения в системы военно-морских сил США. на что требуется 5-7 лет при стоимости 14-20 млн долларов. В период с 2013 по 2019 год командование американских ВМС осуществило массовое внедрение рассмотренных технологий.

Акустический векторный датчик является универсальным. Его способность измерять колебательную скорость частиц вдоль трех ортогональных направлений в заданной точке пространства обеспечивает независимость от таких его факторов, как частота падающего сигнала и ширина полосы его частот.

Решетка с датчиками давления определяет направление прихода сигнала путем регистрации задержки по фазе между элементами, векторные же датчики напрямую оценивают поле скорости и таким образом обеспечиваются особые преимущества:
- компактность;
- гибкость пространственной субдискретизации.

В настоящее время ведутся интенсивные экспериментальные исследования по акселерометру как прототипу, который позволит решить вопросы локализации источника и измерения расстояния (при использовании двух векторных датчиков). Кроме того, прорабатывается модифицированный быстрый ортогональный алгоритм применительно к одному векторному датчику для спектральной оценки и пеленгования. В конечном итоге совокупность разрабатываемых алгоритмов при наличии нескольких разнесенных векторно-скалярных приемников будет практически мгновенно обеспечивать определение пеленга и дистанцию до цели.

Возможности ВСП определяются не только используемыми материалами и конструкцией, но и во многом алгоритмами, применяемыми для обработки данных и учитывающих все особенности и свойства этих приемников. Например, разработан кумулянт-алгоритм, обеспечивающий обнаружение и определение направления прихода полезного сигнала (Direction of airival - DOA), a также его восстановление в присутствии шума и интерференции с помощью выделения мощностной составляющей этого сигнала. Формирование луча с использованием кумулянт-алгоритмов и методы оценки DOA. которые приемлемы для проведения идентификации и выделения полезного негауссового сигнала в присутствии шумовой помехи с Гауссовым распределением шума, исследовали и сравнили с ковариационным алгоритмом. При этом полученные характеристики представлялись в виде среднеквадратической угловой ошибки (Mean Square Angular Error - MSAE) при хорошей разрешающей способности.
Использование колебательной скорости частиц, которая является векторной величиной, наряду с давлением приводит к улучшению возможностей по обнаружению даже при более малых решетках и небольшом соотношении сигнал/помеха. Акустические векторные сенсоры, которые одновременно регистрируют колебательную скорость частиц и давление сигнала' уже внедрены и проверены в реальных условиях работы.

Кроме того, разработан алгоритм, обеспечивающий регистрацию направленных свойств реверберации с помощью векторных приемников. Они измеряют акустическое давление и определенные ортогональные компоненты скорости частиц в одной и той же точке поля. Это можно использовать для улучшения характеристик гидроакустических станций. Акустический векторный приемник, регистрирующий четыре компонента акустического поля {p(t), (vx(t), v.(t), vi(t)}. помогает оценить количественно фазу между ними и узнать реверберационную плотность потока энергии при отражении от дна. Этот подход по изучению реверберации путем использования энергетических характеристик акустического поля еще не использовался в гидроакустике и потому у него многообещающее будущее.

Перспективным является и алгоритм, предназначенный для определения глубины источника звука при использовании кратного числа векторных гидрофонов. На мелководье на низких частотах знак активного компонента давления и горизонтального скоростного перекрещиваемого спектра сдвоенных векторных гидрофонов меняется в зависимости ог глубины источника и дистанции между ним и приемниками в соответствии с определенной закономерностью или характерной особенностью, которая может быть использована для определения местоположения источника по отношению к критичной глубине. Основываясь на знаковых распределениях, зарубежные специалисты определили несколько критичных глубин и место источника, относительно этих глубин. Полученные результаты указывают на то, что с помощью этого метода на мелководье на низких частотах могут быть установлены границы глубин, на которых находится данный источник.

Высокие характеристики векторных приемников можно проиллюстрировать на примере локализации источников излучения на корпусе ПЛ. Выполнение подобной операции предусматривает наличие соответствующего диагностического инструмента для проведения анализа излучаемой сигнатуры в целях обеспечения снижения шумности подводных лодок ВМС США.

Проблема получения акустического образа является чрезвычайно трудной, так как для этого необходимо высокое разрешение сигналов, что требует применения длинных антенн. Векторная антенна, несмотря на свои размеры (она в несколько раз меньше, чем длина акустической волны), дает хорошие результаты.

Тестирование с помощью ВСП (комбинация датчиков давления и датчиков колебательной скорости) показало, что эти устройства позволяют значительно улучшить показатели определения местоположения источника по сравнению с используемыми антенными решетками с датчиками давления. Проведенное на полигоне в районе поселка Кетчикан (штат Аляска) тестирование алгоритма обработки данных от антенных решеток с векторными приемниками, использующего весовые коэффициенты, обеспечило формирование очень узкой характеристики направленности и точную локализацию источника излучения на корпусе ПЛ.

Таким образам, внедрение векторных приемников нового поколения обеспечит решение вопроса неоднозначности пеленга (правый или левый борт) при использовании линейных антенн, а также уменьшение апертуры антенн и снижение требований к производительности вычислительной аппаратуры.

Изготовление радиогидроакустических буев с векторно-скалярными приемниками значительно сократит их габариты и снизит стоимость, что позволит брать на борт вертолета, БИЛА или самолета ПЛО большое количество таких буев для использования в мультистатических сетевых системах.

Векторный сенсор дает возможность быстро локализовать цель и является более точным и эффективным инструментам обнаружения по сравнению с традиционным всенаправленным гидрофоном.

Зарубежное военное обозрение. - 2019. - №11. - С. 73-77

• Модернизация ГАК AN/SQQ-89 ВМС США (2004)
• Развитие гидроакустических средств за рубежом (1978)
• Некоторые аспекты программы разработки и строительства ПЛАРБ типа "Колумбия" ВМС США (2020)
• Использование результатов исследований в области искусственного интеллекта при проектировании АПЛ ВМС США типа "Виргиния" (2020)