Гидроакустическая измерительная аппаратура нового поколения для стационарных полигонов

Федеральное государственное унитарное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ФГУП ВНИИФТРИ) – головная организация по проблеме измерения шумности кораблей ВМФ с 1965 года. В структуре государственной метрологической службы страны ВНИИФТРИ является главным центром эталонов и головным институтом в области метрологического обеспечения гидроакустических измерений. За прошедшее время ВНИИФТРИ оснастил все флоты ВМФ измерительным оборудованием (образцовым и рабочим), обеспечивающим измерение и контроль шумности подводных лодок и надводных кораблей.

На основе опыта эксплуатации стационарных рабочих средств гидроакустических измерений (РСИ), созданных и установленных специалистами ВНИИФТРИ в 80-х годах прошлого столетия на полигонах ВМФ, тенденций развития отечественного подводного кораблестроения и зарубежных гидроакустических систем измерения и обнаружения,  в 2003 году перед началом разработок гидроакустических РСИ нового поколения было определено, что основными научно-техническими задачами комплекса новых работ являются:

• снижение неисключённой систематической составляющей инструментальной погрешности измерений в диапазоне частот от 1 Гц до 100 кГц;

• разработка встроенных систем калибровки измерительных гидрофонов и трактов передачи информации;

• обеспечение проведения достоверных измерений слабых гидроакустических сигналов (при отношении сигнал/помеха меньше 1);

• обеспечение проведения измерений пространственных характеристик гидроакустического поля (ГАП) объектов, включая измерения в горизонтальной плоскости;

• проведение измерений параметров ГАП объектов в реальных режимах эксплуатации;

• получение исходной информации, необходимой для поиска и выявления источников подводного шума (ПШ) объектов в стоповых и ходовых режимах.

В 2008 году этот комплекс работ (ОКР «Брокер») был завершён и на акватории полигона в Белом море был установлен комплекс морских технических средств (КМТС «Бриз»), многоэлементная вертикально распределённая измерительная система («Брокер-ИПФ») и береговой комплекс технических средств управления измерениями, обработки результатов и поиска источников повышенного подводного шума объектов на ходовых режимах (КТС «Тополь»). Также была завершена разработка измерительных систем с выпускаемым гидрофоном («ГУ-21»), которые эксплуатируются во ФГУП «ПО «Севмаш» с 2008 года и обеспечивают при установке на головные заказы ПЛ новых проектов проведение измерений ПШ и получение исходной информации, необходимой для поиска и выявления источников повышенного подводного шума объектов на стоповых режимах в подводном положении.

Измерительные гидроакустические системы с одиночным гидрофоном (ИГС-ОГ), входящие в состав КМТС «Бриз», обеспечивают измерение звукового давления в диапазоне частот от 2 Гц и ниже до 100 кГц, изменение и измерение глубины погружения приёмного устройства (ПУ), контроль метрологических характеристик измерительного тракта и передачу электрического сигнала с нормированными метрологическими характеристиками в береговой комплекс КТС «Тополь» для последующей обработки. Но ПУ – это не просто точечный гидрофон в однородной безграничной и обесшумленной среде, а сложное устройство, содержащее ряд конструктивных элементов и вспомогательных устройств, которые существенно меняют метрологические параметры гидрофона, поскольку создают ненормируемые поглощение и отражение звука, резонансные колебания, диаграммы направленности и т. д. При этом всё средство измерений в целом в процессе измерений подвергается влиянию ряда динамических воздействий, генерируемых как средой, так и объектом (обтекание, автоколебания, вибрации), которые создают паразитный шумовой фон и вносят ряд дополнительных погрешностей в результат измерений.

Наиболее хорошей помехозащищённостью при прочих равных условиях обладают ПУ, содержащие гидрофоны с низкой виброчувствительностью, жёстко закреплённые в обтекателях на носителях аппаратуры большой физической массы. Кроме уменьшения псевдозвуковых шумов, обусловленных обтеканием, в таких системах обеспечивается снижение неисключённой систематической и случайной составляющих инструментальной погрешности измерений, поскольку в процессе измерений сохраняется строгая пространственная ориентация гидрофона относительно корпуса носителя аппаратуры, а также самого носителя относительно вертикальной оси, благодаря положительной плавучести носителя.

Все вышеперечисленные положения реализованы в ИГС-ОГ, в которой ПУ выполнено с положительной плавучестью, виброизолирующей низкочастотной подвеской и сферическим стеклопластиковым обтекателем объёмом порядка 200 л, содержащим равноудалённый от всех ограничивающих поверхностей измерительный гидрофон. Натурные и лабораторные испытания ПУ подтвердили его высокие метрологические и эксплуатационные характеристики.

Исследования чувствительности и диаграммы направленности ПУ в сборе в гидроакустическом бассейне на специально созданных в процессе выполнения работы эталонных установках при использовании псевдошумовых градуировочных сигналов показали весьма слабое влияние корпуса ПУ на результаты измерений. Отличие данных градуировок, полученных для ПУ в сборе и просто для одного гидрофона, входящего в его состав, в ультразвуковом диапазоне частот не превышает 2–3 дБ, причём это отличие может быть учтено как поправка к результатам измерений, а не погрешность измерений (рис. 1).

Испытания ПУ в реальных условиях эксплуатации показали его высокую помехозащищённость от помех гидродинамической природы (течения, турбулентность, вибрации элементов системы в потоке). На рис. 2 приведены результаты долговременных (95 часов) непрерывных измерений среднеквадратических значений фоновых шумов в полосах частот третьоктавных фильтров 2, 10, 800 и 10 000 Гц, подтверждающие отсутствие влияния приливно-отливных течений на приёмное устройство ИГС-ОГ. В то же время наблюдается строгая зависимость уровней фоновых шумов от погодных условий практически во всём рабочем диапазоне частот за исключением диапазона в районе 10 Гц, уровень в котором остается неизменным во времени.

Важным элементом повышения качества, достоверности и уменьшения инструментальной составляющей погрешности измерений в созданных ИГС-ОГ является включение в их состав аппаратуры контроля метрологических характеристик (АКМХ) измерительных гидрофонов и трактов передачи информации.

В отличие от принятого в настоящее время алгоритма поэлементной поверки измерительных гидроакустических систем, когда отдельно поверяются измерительный преобразователь (гидрофон), тракт передачи информации и измерительный прибор (анализатор спектра), в ИГС-ОГ с помощью АКМХ реализована процедура комплектной поверки измерительных трактов в натурных условиях, т. е. в условиях эксплуатации. АКМХ содержит встроенные средства метрологического обеспечения для измерения относительной частотной передаточной и динамической характеристик тракта передачи сигнала от измерительного гидрофона и абсолютных значений его собственных электрических шумов в третьоктавных полосах частот в рабочем диапазоне частот 1–100 000 Гц, в составе:

• два генератора белого шума с различными значениями спектральной плотности мощности;

• цифровой генератор тонального сигнала с перестраиваемыми амплитудой и частотой;

• комплекты третьоктавных и узкополосных анализаторов, входящих в состав берегового комплекса.

АКМХ обеспечивает проведение контроля в электрическом (ЭК) и акустическом (АК) режимах. В режиме ЭК тестовый сигнал подаётся на входы исследуемых измерительных трактов последовательно в определённые точки. В режиме АК тестовый сигнал через усилитель мощности подаётся на излучатель, установленный на приёмном модуле РСИ, и далее принимается исследуемым измерительным трактом.

Электрический тестовый сигнал, подаваемый в режиме ЭК последовательно через чувствительный элемент гидрофона, электронную часть приёмного модуля, линию связи и береговые согласующие устройства, позволяет измерять амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) сквозного электрического тракта системы и контролировать её стабильность во времени. Тестовый сигнал, подаваемый на вход системы, может быть двух типов: гармонический, генерируемый вмонтированным в аппаратуру приёмного модуля цифроаналоговым преобразователем, и шумовой, поступающий с генератора белого шума и имеющий нормированное значение спектральной плотности мощности.

Уровни входных сигналов, которые реально требуется измерять, лежат значительно выше собственных шумов самой измерительной системы, но в ряде случаев «полезный» сигнал весьма зашумлён фоновыми помехами, что затрудняет проведение достоверных измерений слабых гидроакустических сигналов (при отношении сигнал/помеха меньше 1).

Есть два подхода к решению этой проблемы. Первый основан на разработке помехоустойчивых методов, алгоритмов и методик, использующих традиционную схему измерений с помощью одиночного ненаправленного гидрофона, но обеспечивающих при этом проведение измерений параметров гидроакустических сигналов, по уровню не превышающих фоновые шумы. Данный подход развивается уже в течение длительного времени и обладает рядом очевидных достоинств, а именно, простотой технической реализации, хорошей помехозащищённостью, изученностью и широким внедрением в практику гидроакустических измерений. В полном объёме этот подход, включая разработанные и аттестованные методики выполнения измерений, реализован в КТС «Тополь», который обеспечивает выполнение измерений уровней ПШ с нормируемыми характеристиками как в третьоктавных, так и в узких полосах частот при отношении сигнал/помеха до –12 дБ и больше.

Однако при решении ряда задач, включая измерения параметров ГАП малошумных объектов в горизонтальной плоскости с помощью одиночного гидрофона, потенциала методов энергетической согласованной обработки (ЭСО) может оказаться недостаточно для измерения характеристик источников с малым уровнем излучения. В этом случае целесообразно использовать второй подход, основанный на применении измерительных систем, обладающих направленными свойствами и обеспечивающих улучшение отношения сигнал/помеха уже на выходе своего измерительного канала, с последующим применением процедур ЭСО или аналогичных.

Направленные системы всё более активно внедряются в практику гидроакустических измерений. В рамках ОКР «Брокер» созданы два типа многоэлементных вертикально распределённых систем.

Первая – измерительная («Брокер-ИПФ»), состоящая из множества разнесённых по вертикали одиночных широкополосных гидрофонов, когерентная обработка сигналов с определённых групп которых обеспечивает формирование соответствующих диаграмм направленности в октавных полосах частот, фокусировку на объект измерений и, как следствие, уменьшает вклад в результирующий сигнал интерференционных и фоновых шумов. Основным назначением данной системы является измерение характеристик пространственного гидроакустического поля малошумных объектов, включая измерения параметров их ГАП в горизонтальной плоскости.

Вторая – приёмная гидроакустическая система с вертикальным многошаговым интерферометром (ПГС-ВИ) из состава КМТС «Бриз», предназначенная для получения данных о распределении зон повышенного шумоизлучения по длине объекта при его проходе над системой, т. е. исходной информации, необходимой для поиска и выявления источников ПШ объектов в ходовых режимах.

В последние годы в прикладной гидроакустике сделан очередной шаг в развитии систем с комбинированными гидроакустическими векторными приемниками (КГП), обусловленный появлением новых методов и алгоритмов пространственной фильтрации сигналов, а также высокопроизводительных вычислительных средств, необходимых для их реализации. Наиболее интересным направлением использования систем с КГП является проведение прямых измерений уровней ПШ объектов в дальнем поле на больших удалениях, т. е. практически в горизонтальной плоскости. При этом использование метода пространственной фильтрации обеспечивает эффективное подавление шумов, приходящих с вертикальных направлений, а также шумов от мешающих сосредоточенных источников. Это достигается за счёт одновременной регистрации в одной точке поля давления и трёх взаимно ортогональных компонент колебательной скорости с последующим расчётом по ним потока звуковой энергии в телесном угле, содержащем только измеряемый объект.

Данные о пространственных координатах объекта, поставляемые системой измерения дистанции или оцениваемые по угловой траектории превалирующей составляющей спектра подводного шума объекта, позволяют (с учётом размеров объекта) определить телесный угол относительно приёмного модуля, в пределах которого поток звуковой энергии определяется излучением объекта. Пространственная фильтрация осуществляется суммированием в каждый отсчёт времени измерений в пределах частотного диапазона третьоктавного фильтра уровней узкополосных составляющих потока звуковой энергии, направление прихода потока в которых лежит в пределах заданного телесного угла, охватывающего объект измерений. По полученным отсчётам строится проходная зависимость уровней от времени в полосе частот треть­октавного фильтра. Максимумы этой характеристики объявляются результатами измерений.

Приведённый алгоритм применялся для обработки данных натурного эксперимента, проведённого на акватории Балтийского моря. Стоит отметить, что наклонная дальность от комбинированного приёмного устройства до малошумного объекта в данном эксперименте на траверзе выдерживалась порядка 150 метров при глубине места 60 метров. На рис. 3 приведены осреднённые по четырём проходам объекта максимальные значения проходных характеристик (МЗПХ), полученные по каналам звукового давления и потока звуковой энергии, вычисленного по алгоритму пространственной фильтрации.

Из приведённых на рис. 3 результатов следует, что по каналу звукового давления измерялась в основном «погода», тогда как по каналу КГП при использовании метода пространственной фильтрации производились измерения только той части звуковой энергии, которая излучалась объектом в направлении на приёмник. Приведённые результаты позволяют оценить степень помехоподавления фоновых шумов, достигающую 18 дБ в частотном диапазоне третьоктавного фильтра 500 Гц, и диапазоны частот, в которых генерируемые объектом шумы максимальны, например в полосе фильтра 63 Гц, где результаты измерений по каналам гидрофона и КГП практически совпали.

Возможная степень помехоподавления при проведении измерений малошумных источников может быть оценена на основе диаграмм углового распределения потока акустической энергии, являющихся характеристикой анизотропии акустического поля в месте расположения КГП. Диаграммы могут быть построены в любой плоскости, в том числе и плоскости, проходящей через измеряемый источник. При отсутствии мешающих источников в углах, близких к направлению на измеряемый источник, величина потока акустической энергии (ПАЭ) с данного направления может служить характеристикой его акустической мощности. На рис. 4 приведены диаграммы углового распределения ПАЭ в горизонтальной плоскости, проходящей через измеряемый источник при различных его удалениях от приёмника. Видна значительная анизотропия ПАЭ, достигающая в определённых направлениях 15–20 дБ; также достаточно явно прослеживается наличие двух практически диаметрально разнесённых источников. Уровень ПАЭ от мешающего источника неизменен во времени, в отличие от уровня движущегося измеряемого источника, величина которого возрастает по мере его приближения к приёмной системе. Сигналы мешающего и измеряемого источников некогерентны, хотя и находятся в одной анализируемой полосе частот, поэтому и потоки акустической энергии от этих источников хорошо разделяются по направлениям.

На рис. 5 и 6 представлены оценки спектров потоков акустической энергии в треть­октавных полосах частот в двух различных телесных углах, охватывающих два разных объекта, находящихся в одной мелководной акватории, на судно и корабль соответственно. На рисунках также приведены спектры полного потока акустической энергии, рассчитанные по результатам измерений с помощью гидрофона и КГП, которые практически совпадают во всём диапазоне частот, что является доказательством воздействия на КГП только акустического поля.

Наблюдаются существенные различия между третьоктавными спектрами, полученными в телесных углах, охватывающих судно и корабль (на графиках выведены синими линиями). Видно, что спектр в низкочастотной части диапазона сформирован источниками судна, а спектр в высокочастотной – источниками корабля. Кроме того, приведённые результаты подтверждают высокую эффективность разработанного метода пространственной фильтрации в части подавления локализованных источников, величина которого достигает 30–40 дБ, что в рассматриваемом диапазоне частот на сегодня практически недостижимо никакими другими методами и техническими средствами.

В заключение хотелось бы отметить, что усилиями большого коллектива специалистов из разных организаций создана и установлена на полигоне перспективная, с большими техническими возможностями, гидроакустическая измерительная аппаратура. Установлена, но не работает в полном объёме по прямому назначению, потому что при формировании Государственного оборонного заказа заказчиком аппаратуры к нашему глубокому сожалению  в течение трёх лет не предусматривается постановка работ, направленных на обучение персонала полигона, опытную эксплуатацию, научно-техническое сопровождение и обслуживание этой новой, дорогостоящей и сложной техники. При этом затраты на внедрение в повседневную практику гидроакустических измерений данной аппаратуры несоизмеримо меньше стоимости ее создания.

ФГУП «ВНИИФТРИ»
Россия, 141570, Московская обл., Солнечногорский р-н, п/о Менделеево,
Тел./факс: +7 (495) 744-81-12
E-mail: director@vniiftri.ru,
onti@vniiftri.ru

Партнеры