Проблема измерения гидроакустических характеристик морских объектов

 

С момента образования ВНИИФТРИ (февраль 1955) метрологическое обеспечение гидроакустических измерений – одно из главных научно-технических направлений деятельности института.

ВНИИФТРИ, как головная организация по данной проблеме, ведет научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию эталонной аппаратуры и высокоточных средств измерений в области гидроакустики, в особенности морской гидроакустики, для государственных и ведомственных метрологических служб, для оснащения специальных морских полигонов, судов контроля физических полей, гидроакустических комплексов лабораторий измерительной техники. Наше предприятие осуществляет фундаментальные и поисковые исследования по выявлению новых физических эффектов с целью их использования при создании и совершенствовании методов и эталонных средств измерений в области гидроакустики.

Рассматривается проблема измерения гидроакустических характеристик морских объектов, а также структура, принципы построения и взаимодействия основных узлов современного измерительного комплекса СГАС-496Э, предназначенного для решения задачи контроля параметров гидроакустических полей кораблей и подводных лодок. Аппаратура выполняет измерения шума морских объектов в 1/3-октавных и узких частотных полосах с целью определения его соответствия заданным нормам и требованиям. Измерения выполняются в условиях воздействия фоновых помех акватории, при соотношении сигнал/помеха < 1.

Внешний шум судна, как и любого другого транспортного средства, является источником шумового загрязнения среды. Поэтому в большинстве развитых стран правила нормирования, методы измерения и контроля шума судов (как и других транспортных средств) разработаны, установлены и закреплены в нормативных документах, национальных и международных стандартах. Методики измерения шумов движущихся транспортных средств используют основной подход, заключающийся в том, что звук принимается приемником, помещаемом на некотором установленном расстоянии от трассы объекта, и анализируется спектральный состав в момент прохода объекта вблизи приемника. Измеряемыми параметрами являются уровни звукового давления в стандартных (октавных, 1/3-октавных) частотных полосах при контроле, а также в узких частотных полосах при определении причин превышения норм и выявлении источников повышенного шума [1]. Полученные таким образом результаты характеризуют не только уровни подводного шума судна, но и позволяют оценить качество его проектирования и строительства в целом. Кроме того, измеряемые уровни подводного шума являются также показателем качества изготовления, сборки и поддержания эксплуатационных режимов работы отдельных механизмов судна. Вообще же «…вибрации и шум являются функциональными, конструктивными и технологическими критериями энергетического оборудования, а уровни создаваемого шума по существу могут рассматриваться как важнейший качественный критерий инженерно-технических изделий и сооружений» [2].

Данная информация необходима специалистам кораблестроительной отрасли, поскольку позволяет оценить качество выпускаемой продукции, ее соответствие предъявляемым нормам и требованиям.

В то же время подводный шум корабля является таким же характерным идентификационным признаком, как и отпечатки пальцев человека. Поэтому специалистам военно-морского флота необходимы данные по акустическому портрету кораблей и подводных лодок для оценки их защищенности от неконтактных систем морского оружия и средств дальнего обнаружения.

Работа по поддержанию акустического качества и соответственно по контролю акустических характеристик военных кораблей и гражданских судов должна вестись постоянно и планомерно, вне зависимости от текущей, сиюминутной политической обстановки. Положительный результат в этой области не может быть достигнут одномоментно, а потеря паритета с вероятным противником чревата самыми трагическими последствиями, такими как полный паралич морской деятельности государства.

Поэтому уровни подводного шума, излучаемого кораблями и подводными лодками, в настоящее время стоят в одном ряду с такими традиционно важными тактико-техническими их характеристиками, как скорость полного хода, живучесть энергетической установки, параметры вооружения и др. В соответствии с этим задача измерения акустических параметров морских объектов является одной из важнейших.

Понимание важности обозначенных задач ведущими мировыми державами подтверждается наличием документов STANAG 1136, STANAG 1090 военного агентства по стандартизации НАТО, регламентирующих стандарты методик проведения и представления результатов измерений подводного шума. При этом в США данные документы внедрены не только в военно-морском, но и в торговом флоте. Имеется широкая сеть стационарных измерительных полигонов, охватывающая все основные пункты базирования сил флотов стран НАТО, в том числе и на Балтийском море. Активно разрабатываются и используются мобильные измерительные системы на основе гидроакустических буев. Созданием и развитием средств гидроакустических измерений занимаются практически все ведущие страны НАТО, начиная с США, Германии и заканчивая Норвегией и Голландией. На акустических полигонах НАТО выполняются измерения не только шумности кораблей и подводных лодок, но и параметров гидроакустических полей морского оружия и подводных аппаратов различного назначения.

В России, которая имеет самую протяженную морскую границу и омывается морями трех океанов, на сегодняшний день функционируют стационарный акустический полигон и специальные измерительные суда. Однако их число, состав и возможности измерительной аппаратуры недостаточны для решения задачи измерения гидроакустических характеристик морских объектов в полном объеме.

Основными направлениями развития гидроакустических измерений морских объектов являются:

– формирование сети измерительных гидроакустических полигонов на основе стационарных систем. Необходимо оснащение стационарными акустическими полигонами районов Баренцева моря, Балтийского и Черного моря, Камчатки и Приморского края;

– развитие мобильных комплексов, базирующихся на судах контроля физических полей, для обеспечения возможности контроля параметров гидроакустических полей кораблей в отдаленных районах мирового океана;

– расширение номенклатуры измеряемых объектов, в том числе и морского оружия, обитаемых и необитаемых подводных аппаратов различного назначения, гражданских судов;

– расширение номенклатуры измеряемых, в том числе и модуляционных характеристик, а в дальнейшем и контролируемых параметров гидроакустических полей объектов на различных режимах эксплуатации, в связи с ростом возможностей систем обнаружения;

– повышение уровня взаимодействия предприятий судостроительной промышленности, научно-исследовательских учреждений и учреждений военно-морского флота для выработки консолидированных решений по проблемам гидроакустических измерений, технических решений в области кораблестроения, а также мероприятий по управлению силами и средствами флота;

– снижение инструментальной и методической погрешности измерений, повышение точностных характеристик измерительных систем;

– повышение помехоустойчивости измерений, связанное со значительным снижением уровней шумоизлучения морских объектов.

Проблема повышения помехоустойчивости измерений требует к себе особого внимания. Вызвано это тем, что применение направленных приемных гидроакустических систем при решении задачи контроля шумности кораблей недостаточно эффективно по ряду причин принципиального характера, а уровни шумов подводных лодок сопоставимы или ниже собственных шумов акустических полигонов. Это требует значительных затрат времени на ожидание благоприятных погодных условий. В иностранной литературе отмечается, что «…фоновый шум должен быть по крайней мере на 6 дБ слабее источника».

Для успешного решения задачи измерения и контроля акустических характеристик морских объектов необходима надежная аппаратурно-методическая база, обеспечивающая получение данных о параметрах первичного акустического поля.

Во ФГУП «ВНИИФТРИ» создан ряд измерительных комплексов контроля акустических характеристик морских объектов, в том числе специальная гидроакустическая система СГАС-496Э. Принципиальным отличием СГАС-496Э от всех существующих измерительных комплексов является возможность измерения уровней шумоизлучения подводных лодок при соотношении сигнал/помеха значительно меньше 1 (до –6 дБ; рис. 1). При этом комплекс основан на ненаправленных подводных приемных системах, что обеспечивает полную преемственность и сопоставимость результатов измерений с полученными ранее данными. Высокая помехозащищенность аппаратуры обеспечивается использованием разработанных во ФГУП «ВНИИФТРИ» специальных подходов к обработке измерительной информации, которые прошли широкую апробацию при измерениях малошумных морских объектов в течение ряда лет и показали высокую эффективность и устойчивость. Была также проведена работа по метрологической аттестации методик выполнения измерений и получены соответствующие сертификаты.

Комплекс СГАС-496Э предназначен для решения следующих основных задач:

– измерение уровней шумоизлучения объектов в 1/3-октавных частотных полосах на соответствие заданным нормам и требованиям при отношении сигнал/помеха до –6 дБ;

– измерение уровней шумоизлучения объектов в узких частотных полосах при отношении сигнал/помеха до –6 дБ;

– контроль параметров движения объекта в ходе выполнения измерительных проходов.

В состав СГАС-496Э входят выносные измерительные базы и аппаратура обработки и анализа данных.

Выносные измерительные базы (ВИБ) предназначены для измерения уровней подводного шума и обеспечивают преобразование гидроакустического сигнала, действующего в точке расположения гидрофона, в электрический сигнал и передачу его аппаратуре обработки. В состав ВИБ входят:

– носитель аппаратуры (НА) в форме обтекателя сигарообразной формы (рис. 2) с установленным внутри него широкополосным измерительным гидрофоном, магистральным усилителем, датчиком давления;

– малогабаритное подъемно-опускное устройство ПОУ-МР, которое обеспечивает установку НА на требуемую глубину;

– блок сопряжения (на борту корабля);

– якорь-муфта (ЯМ) с маяком наведения и акустическим размыкателем, обеспечивающим отбрасывание донного груза и всплытие ВИБ на поверхность;

– кабельная линия связи (КЛС).

Корпус носителя аппаратуры выполнен из звукопрозрачного стеклопластика и обладает высокой инерционностью за счет большого, заполненного водой объема. Гидроакустическая головка расположена на пересечении продольной оси НА и вертикальной плоскости, проходящей через точки крепления подвесок, что обеспечивает минимальные перемещения головки при вращении НА, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости.

Выносная измерительная база отличается низким уровнем собственных шумов, может использоваться в режиме дрейфа (рис. 3), а также в режиме постановки на дно акватории (рис. 4).

При этом обеспечивается решение задач измерения уровней подводного шума морских объектов на соответствие нормам шумности и защищенности от обнаружения радиогидроакустическими буями, измерения на соответствие нормам шумности и защищенности от минного оружия, измерения для оценки защищенности от средств дальнего гидроакустического обнаружения и торпедного оружия.

Структура, принципы построения и взаимодействия основных узлов аппаратуры обработки оптимизированы для решения вышеперечисленных основных задач, а также ряда дополнительных, обеспечивающих бесперебойное функционирование комплекса в целом.

Комплекс построен на базе многозвенной распределенной архитектуры.

Принципы взаимодействия основных узлов комплекса описываются следующим образом.

Сигналы подводного шума поступают с выходных блоков подводных устройств на входы аппаратуры спектрального анализа, состоящей четырехканальных 1/3-октавных и узкополосных анализаторов спектров. Аппаратура спектрального анализа построена по бескоммутационной схеме и выполняет параллельный расчет 1/3-октавных и узкополосных текущих спектров по всем измерительным приемникам в течение всего измерительного прохода. Всего предусмотрено использование до 4 измерительных подводных устройств.

Текущие спектры, формируемые анализаторами, по локальной сети поступают аппаратуре хранения данных (файл-сервер), где производится их запись в базу данных (БД). Текущие спектры, помимо мгновенных срезов, отображаются также в виде трехмерной поверхности, позволяющей отследить появление некоторых событий, а также предысторию их наступления.

Для определения параметров движения и позиционирования интегральных измерительных данных при формировании спектральных матриц используется аппаратура расчета координат и параметров движения, выполняющая обработку данных и расчет скорости, минимальной дистанции на проходе и момент времени наступления минимальной дистанции по 4 входным каналам [3]. Аппаратура предназначена для обработки двух основных видов сигналов систем измерения дистанций – импульсных и тональных сигналов. Импульсные сигналы применяются во времяпролетных методах и позволяют не только выполнять расчет параметров движения, но и отслеживать текущие координаты объекта [4], однако приводят к заметным искажениям спектра измеряемого сигнала в широком диапазоне частот. Использование тональных сигналов минимизирует искажение спектра полезного сигнала и позволяет выполнять расчет скорости и минимальной дистанции на проходе. В состав аппаратуры входят блоки генерации сигналов на основе высокостабильных кварцевых или рубидиевых генераторов для поддержания автономных шкал времени.

Управление работой комплекса производится с Главного командного пульта управления процессом измерений. Оператор главного пульта создает описание конкретного объекта, осуществляет слежение за процессом накопления данных, выполняет обработку накопленных реализаций при решении задач измерения уровней в 1/3-октавных и узких частотных полосах. Генерация отчетных форм и представлений, соответствующих действующим нормативным документам, выполняется на основе специализированного генератора отчетов.

Система масштабируема как по количеству обрабатываемых приемных устройств, так и по набору реализуемых метода обработки информации, в состав комплекса входят аттестованные методики выполнения измерений.

Для отработки методологии, методов и алгоритмов измерения параметров гидроакустических полей требуется большой объем исходных данных. Получить нужное количество исходной информации только в процессе натурных измерений невозможно, так как для этого необходима работа судового обеспечения и технических средств в течение длительного времени, что вызывает неоправданные материальные затраты. Работа по тестированию и отладке аппаратуры должна проводиться планомерно, охватывать различные варианты измерительных ситуаций. Помимо этого для проверки правильности функционирования разработанного программно-алгоритмического обеспечения, его метрологической аттестации необходимо создание генератора тестовых сигналов, имеющих заранее известные, заданные характеристики. Для успешного решения этих задач создана аппаратура имитации исходных данных. Сигналы, сгенерированные аппаратурой, поступают на вход обрабатывающего комплекса и обеспечивают его функционирование в полном объеме. Аппаратура имитации применяется не только для тестирования работы комплекса, но также для обучения и тренировки операторов.

Дальнейшее развитие измерительных комплексов должно идти по пути повышения помехоустойчивости, расширения номенклатуры измеряемых параметров, увеличения возможностей сравнительного анализа данных по мере накопления результатов измерений в БД комплекса. Кроме того, необходимо продолжение работ по созданию подводных приемных устройств, как судового базирования, так и для оснащения стационарных полигонов. При решении этой проблемы необходимо обеспечить снижение собственных шумов и инструментальной погрешности измерительных баз при сохранении высокой надежности и удобства эксплуатации оборудования.

Генеральный директор ФГУП «ВНИИФТРИ», д.э.н. П.А. Красовский
Начальник комплекса, д.т.н. С.Г. Цыганков
С.н.с., к.т.н. Г.В. Теверовский

 

Партнеры