В середине 70-х годов перед ЦНИИ "Морфизприбор" была поставлена задача создать гидроакустическое вооружение для глубоководных подводных аппаратов, малых и сверхмалых ПЛ (МПЛ и СМПЛ). Водоизмещение подобных судов составляет от нескольких десятков до двух-трех сотен тонн, что накладывает весьма жесткие ограничения на массогабаритные показатели гидроакустической аппаратуры. В то же время эта аппаратура должна быть многофункциональной и решать задачи шумопеленгования, эхолокации, обнаружения гидроакустических сигналов, гидроакустической связи, привода водолазов, управления маяками-ответчиками и др. При этом задачи обнаружения целей и сигналов должны решаться во всем водном пространстве, включая верхнюю полусферу. Сокращенное до минимума количество личного состава корабля обусловило необходимость высокого уровня автоматизации процессов управления гидроакустическими средствами. Наконец, необходимо было обеспечить надежную работу гидроакустических антенн при высоком гидростатическом давлении. Все указанные научно-технические и технологические проблемы были преодолены. В результате на вооружение ВМФ был принят ряд гидроакустических средств. Среди них многофункциональный ГАК "Припять-П" для МПЛ "Пиранья".
На сегодняшний день гидроакустика исполняет роли "глаз" и "ушей" при проведении различных подводных работ и исследований. Несмотря на активное развитие в последнее время радио - и телекоммуникаций применение их в подводном пространстве сильно ограничено в силу физических законов распространения электро- и радиоволн в воде. Применение различных видеокамер и видеоустройств ограничено условиями плохой видимости (обычно на глубине 100 метров зона визуального наблюдения не превышает 10 метров). Использование же гидроакустических приборов позволяет получать данные о подводных объектах практически на всех глубинах Мирового океана, причём новейшие разработки позволяют получать изображения подводного пространства с разрешением в несколько сантиметров.
3. Устройство гидроакустической системы
Гидроакустическая система состоит из одной или нескольких приёмо-передающей антенны (ППА), устройства управления режимами работы ППА, блока обработки, выдачи и сохранения полученных данных, выполненного обычно на базе персонального компьютера со специальным программным обеспечением.
На сегодняшний день существует огромное количество ППА различных производителей, которые, в основном, обладают сходными техническими параметрами, являются взаимозаменяемыми для различных гидроакустических систем и отличаются лишь различной технологией и материалом изготовления приёмо-передающих элементов.
Основным элементом обработки гидроакустических данных является специальное программное обеспечение (ПО), которое не только "выжимает" максимум информации из получаемых данных, но и вносить, при необходимости, изменения в режимы работы ППА. Такой режим работы ПО предъявляет большие требования к скорости обработки данных компьютером, т.к. запись, измерения и выдача необходимых команд управления должны производиться в реальном масштабе времени. Но на сегодняшний день, благодаря быстрому развитию компьютерных технологий и систем передачи информации, возможности ПО практически не ограничены быстродействием компьютеров, а зависят лишь от используемых алгоритмов фильтрации и обработки данных с ППА.
Визуальное представление полученных и обработанных данных возможно на мониторе, термопринтере, видеомагнитофоне, а при наличии локальной сети или сети Интернет, на любом удалённом устройстве.
Качество и достоверность полученной с помощью гидроакустических приборов информации зависит, прежде всего, от технических параметров самого гидроакустического прибора и ППА. Однако нельзя не учитывать сложные физические и геометрические законы распространение звуковых волн в водном пространстве. Скорость распространения звука в воде величина непостоянная и изменяется в пределах от 1470 до 1550м/с, это обусловлено изменением солёности, температуры и гидростатического давления различных слоёв воды. Расположения ППА по отношению к поверхности воды или морскому дну без учёта направления излучения акустических сигналов может вызвать так называемые зоны "поверхностной или донной засветки" на мониторах гидроакустических приборов. Но даже при соблюдении всех условий и внесении необходимых поправок в систему обработки данных, велико влияние на ППА посторонних шумов от двигателя судна и естественных морских шумов.
Основными параметрами гидроакустических приборов и устройств является частота излучаемого акустического сигнала и угол обзора (диаграмма направленности). Диапазон частот лежит в пределах от единиц килогерц до мегагерц, чем больше частота, тем меньше дальность проникновения сигнала. Диаграмма направленности определяет тип и область применения гидроакустического устройства и различается величиной углов в вертикальной и горизонтальной плоскости.
По количеству излучаемых ППА сигналов различают однолучевые и многолучевые системы. Многолучевые системы производят одновременное сканирование с помощью нескольких десятков гидроакустических сигналов. Они позволяют покрыть большую площадь при сканировании в единицу времени и за счет применения большого количества сигналов с узкой диаграммой направленности получить изображение с высоким разрешением. С использованием компьютерных технологий для обработки и фильтрации данных возможно получение изображений с фотографической чёткостью. В настоящее время многолучевые системы становятся всё более популярными, несмотря на их высокую (сотни тысяч долларов) стоимость.
ППА однолучевых систем способна излучать и принимать только один гидроакустический сигнал в единицу времени. Однако благодаря их надёжности, простоте в эксплуатации и относительно низкой стоимости, однолучевые системы продолжают интенсивно развиваться и находят широкое применение в различных сферах деятельности.
4. Классификация гидроакустических приборов и устройств
По назначению, месту расположения на носителе и виду выполняемых работ весь ряд гидроакустических приборов и устройств можно условно разделить на несколько групп:
1) Гидролокаторы кругового и секторного обзора.
2) Гидролокаторы бокового обзора.
3) Эхолоты.
4) Профилографы морского дна.
5) Гидроакустические системы позиционирования.
Гидролокаторы кругового и секторного обзора
Гидролокаторы кругового и секторного обзора применяются для выполнения широкого ряда задач от гражданских до сугубо военных. Они предназначены для подводной навигации, поиска и допоиска подводных объектов, построения охранных зон и периметров. Интересно использование таких гидролокаторов в качестве подводного измерительного инструмента при обследовании различных подводных структур, когда, используя возможности ПО, можно измерить расстояния и углы между элементами отображаемого объекта. Гидролокаторы кругового и секторного обзора устанавливаются при входе в гавани и порты, на нефтяных платформах, кораблях, подводных лодках, обитаемых подводных аппаратах, телеуправляемых подводных аппаратах, применяются в переносном исполнении водолазами. Существуют специальные гидролокаторы, работающие с вертолёта при погружении ППА на кабель-тросе в воду.
Программное обеспечение в таких системах является ключевым элементом. С его помощью можно не только обрабатывать и выводить полученные с ППА данные, но и изменять сектор обзора гидролокатора, менять мощность излучаемых импульсов, изменять частоту работы ППА, определять дистанцию и пеленг до объекта, осуществлять функцию зуммирования и примерно определять материал облучаемого объекта.
Частота излучения ППА гидролокаторов кругового и секторного обзора лежит в пределах от 300 Кгц до 2 Мгц, а дальность работы от 300 до 10 метров соответственно. Диаграмма направленности гидролокаторов кругового и секторного обзора представляет собой луч с большим вертикальным углом (десятки градусов) и узким горизонтальным (1-3 градуса). По количеству таких лучей различают однолучевые и многолучевые гидролокаторы.
В однолучевых гидролокаторах ППА механически приводится во вращение электроприводом, который управляется с помощью программного обеспечения и может работать, как в режиме постоянного вращения, так и в секторном режиме. ППА в таких гидролокаторах работает в режиме: послал сигнал, принял сигнал - частота посылки зависит от выбранной оператором дальности работы гидролокатора. Основной недостаток однолучевых гидролокаторов низкая скорость сканирования (более 1 минуты для режима кругового обзора на дистанции 100м). Вывод информации на экран чем-то напоминает работу радиолокатора. Однако визуальная интерпретация объектов по изображению на мониторе требует от оператора навыков работы и определённой доли фантазии. Сравнительно низкая стоимость, надежность и простота в эксплуатации, делает эти системы наиболее распространёнными гидроакустическими системами в настоящее время. Широкий ряд гидролокаторов кругового и секторного обзора предлагают такие компании, как Tritech, Stenmar, Kongsberg.
Многолучевые гидролокаторы получают в последнее время всё большое и большое распространение, несмотря на высокую стоимость и необходимость наличия высококвалифицированного персонала для эксплуатации и технического обслуживания. Многолучевые гидролокаторы - это секторные. По своёй сути многолучевая°гидролокаторы, с углом обзора от 600 до 1200. ППА это несколько десятков однолучевых ППА, объединённых в одном корпусе и синхронизированных по времени и частоте работы. При таком построении весь сектор обзора гидролокатора выдаётся в реальном масштабе времени с большим разрешением на мониторе оператора. Чем больше сектор обзора, тем выше степень интеграции элементов в ППА, соответственно стоимость и техническая возможность построения такого ППА. Благодаря этому, применение таких гидролокаторов в навигационных и поисковых целях ограничено функциями допоиска объектов или работой на специальном электроприводе, который перемещает ППА в нужное направление. В последние годы, в связи с резким повышением угрозы терроризма, широкое распространение получили системы охраны водных акваторий, построенные на базе многолучевых гидролокаторов. Обычно одна или несколько многолучевых ППА закреплены на морском дне и развёрнуты в направлении ожидаемого проникновения. Иногда вокруг охраняемых объектов с помощью однолучевых секторных гидролокаторов создаётся охранный периметр, а многолучевая ППА автоматически разворачивается в сторону нарушения периметра и осуществляет захват и сопровождение нарушителя.
Крупнейшими производителями многолучевых гидролокаторов являются компании Kongsberg и Reson. Наиболее интересны последние достижения компании Reson, которая создала уникальный и пока единственный в мире многолучевой гидролокатор с возможностью фокусировки лучей ППА на конкретном объекте, благодаря чему на порядок увеличивается качество изображения.
