Акустический локатор импульсных источников звука

Акустический локатор импульсных источников звука

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к звукометрическим станциям (звукометрическим комплексам) и может быть использовано для определения удаления источника звука (ИЗ) от локатора, его пеленга и топографических координат (ТК) этого ИЗ, т.е. это акустический локатор (АЛ) с системой измерения удаления ИЗ от АЛ и возможностью определять ТК ИЗ, находящихся в заранее выбранном участке местности в секторе разведки АЛ, т.е. в «районе особого внимания» (РОВ).

В современной звукометрии имеются акустические пеленгаторы (АП), позволяющие определять пеленги ИЗ (углы между известным направлением, например, равносигнальным (РСН), и направлением: точка пересечения линейных групп (ЛГ) звукоприемников (ЗП) - ИЗ [1…4], но они не позволяют определять дальность до ИЗ. В работах [5…8] описаны звукометрические комплексы, определяющие ТК этих источников ИЗ с использованием 2 или 3 АП, разнесенных на некоторое расстояние друг от друга (геометрическую базу, ГБ), ТК средины акустических баз (АБ) (АБ - расстояние между двумя ЗП) которых определяют навигационной аппаратурой. В этих АП, называемых базными пунктами (их должно быть как минимум 2), определяются звукометрические углы (углы между директрисой и направлением: средина АБ - ИЗ) с использованием «принципа разности времен». Директриса - это перпендикуляр, восстановленный из средины, центра, АБ. По известной ГБ, исправленным звукометрическим углам (учитывается влияние скорости, направления ветра в приземном слое атмосферы и температуры воздуха в этом слое на скорость распространения звука) и дирекционным углам директрис 1 и 2 АП вычисляют сначала все 3 угла в косоугольном треугольнике, затем длину одной из сторон этого треугольника, соединяющей одну из средин АБ с ИЗ, а потом рассчитывают ТК ИЗ. Недостатками этих комплексов являются низкая помехозащищенность (ИЗ и помехи принимаются из большого сектора, примерно равного 120° [7]), низкая пропускная способность (3…5 целей в минуту [7]), невозможность пеленгования источников непрерывных акустических сигналов (т.к. в нем используется для определения пеленгов, «принцип разности времен»),

В [9 с.17-19] описан АП, лишенный вышеназванных недостатков, но и он не позволяет определять дальности до ИЗ и ТК этих источников.

В [10] описан АП, использующий равносигнальный способ определения пеленгов ИЗ с разностной обработкой сигнала.

В нем эта дальность определяется путем решения следующего трансцендентного уравнения:

exp [ 1,5 exp [ − D ( β 1 + β 3 − 2 β 2 ) ] P 1 P 3 / P 2 2 ] − D = 0 , [11, с.2 или 10, с.2],

где D - удаление ИЗ от АП (дальность до ИЗ);

β₁, β₂, β₃ - коэффициенты затухания звука на частотах f, 2f, 3f соответственно в неп/м;

P₁, P₂, P₃ - амплитуды звуковых давлений акустического сигнала (АС) на входе АП на вышеуказанных частотах, которые пропорциональны соответствующим амплитудам напряжений, принимаемых АП и измеряемых на выходах соответствующих каналов обработки сигнала (КОС).

Как видно из этого аналитического выражения (АВ), недостатками этих пеленгаторов являются следующие:

1. Измерение вышеуказанной дальности можно производить лишь в однородной среде с постоянными параметрами, что можно отнести, например, к водной среде;

2. Не учитываются параметры приземного слоя атмосферы (температура, относительная влажность, коэффициенты теплопроводности, адиабаты,), что снижает точность измерения дальности до ИЗ;

3. Не учитывается влияние отражения от поверхности земли и ослабление звука лесными массивами, лесополосами, что также будет снижать точность измерения этой дальности;

4. Измерение амплитуд напряжений на выходах КОС производится на трех гармониках акустического спектра сигнала, рассматриваемая дальность не определяется сразу, а ее можно найти лишь методом последовательных приближений (каким можно решить трансцендентное уравнение), что увеличивает время обработки этого сигнала;

5. Не обеспечивается определение местоположения ИЗ, т.е. его ТК.

В работе [11] описан АП, использующий равносигнальный способ определения пеленгов ИЗ с классической обработкой сигнала. Этот АП позволяет определять с высокой точностью пеленги импульсных (например, одиночных выстрелов артиллерийских орудий, залпов артиллерийских батарей) и непрерывных (движущихся на поле боя отдельных объектов военной техники и войсковых колонн) ИЗ, дальностей до них и их ТК в достаточно узком (несколько градусов) рабочем секторе. Но в нем не предусмотрено сканирование (перемещение) характеристики направленности (ХН) в определенном секторе разведки, что резко снижает его эффективность. Кроме того, он имеет сложную акустическую антенну (АА): она включает в себя 2 ЛГ ЗП по 20 в каждой. Поэтому этот АП дорог, требует большого времени на развертывание в боевой порядок. Эта сложная АА снижает и надежность АП в работе.

Наиболее близким техническим решением является АЛ, описанный в [12], который возьмем в качестве прототипа. Он позволяет определять с высокой точностью ТК ИЗ, находящиеся в очень широком секторе и в этой связи может использоваться в качестве средства звуковой разведки в современном общевойсковом бою. Но он имеет сложную АА: она включает в себя 2 ЛГ по 20 ЗП в каждой. Поэтому этот АЛ дорог, требует большого времени на развертывание в боевой порядок. Эта сложная АА также снижает и надежность его в работе.

Технической задачей изобретения является определение ТК ИЗ при отсутствии и наличии акустических помех, находящихся в РОВ, занимающего площадь около 65 км², см. четырехугольник АВСЕ на фиг.1, если АЛ удален от линии боевого соприкосновения войск на 4 км.

Эта задача в изобретении решается следующим образом. АЛ, включающий в себя автоматический предупредитель, ЗП 7, устанавливаемый примерно на директрисе АБ на удалении около ста пятидесяти метров от средины этой базы, правую (ПЛГ) и левую (ЛЛГ) ЗП, с круговыми характеристиками направленности (ХН), причем рабочие оси микрофонов этих ЗП направлены вертикально вверх, а средина правой линейной группы ЗП, удалена от средины левой по фронту на несколько сотен метров, называемой АБ, ЗП один и два устанавливаются на этой базе, а ЗП 3 на продолжении ее, ТК средины АБ определяются навигационной аппаратурой, ЛГ ЗП удалены от линии боевого соприкосновения войск примерно на одинаковое расстояние, около 4 км, перпендикуляры, восстановленные из средин этих ЛГ ЗП, должны быть направлены приблизительно на примерный центр РОВ, каждая из этих ЛГ состоит из трех ЗП, соединенных с соответствующими входами трех параллельно включенных каналов, канала частоты f₁, первого и второго каналов, канал частоты f₁ и первый канал принимают АС с ПЛГ ЗП, причем первый и второй каналы принимает АС на одной частоте f₀, а канал частоты f₁ на несколько большей частоте f₁, второй канал принимает АС с ЛЛГ ЗП, при этом в первый канал и канал частоты f₁ включены последовательно соединенные между собой выделитель сигнала (ВС), сумматор напряжений (СН), амплитудный детектор (АД), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и регистр, выходы регистров этих двух каналов соединены шинами с соответствующими портами электронно-вычислительной машины (ЭВМ), второй канал в себя включает последовательно соединенные между собой ВС, СН, АД, систему измерения времени (СИВ), регистры номер один и номер два, входы которых соединены шинами с выходами один и два СИВ, выходы этих регистров соединены шинами с соответствующими портами ЭВМ, СИВ в себя включает последовательно включенные между собой кварцевый генератор, истоковый повторитель, триггер Шмита и делитель частоты, выход которого соединен со входом первого триггера счетчика импульсов, выходы один и два которого соединены шинами со входами регистров номер один и два второго канала соответственно, выход регистра номер один второго канала соединен шиной с портом три ЭВМ, выход регистра номер два второго канала соединен шиной с портом четыре ЭВМ, входы 2 системы электронных ключей (ЭК) номер один счетчика импульсов соединены с выходом АД второго канала, входы 2 системы ЭК номер два счетчика импульсов соединены с выходом АД первого канала, каждый из ВС в себя включает три избирательных усилителя (ИУ), на вход которых подается сигнал от соответствующего ЗП, три ЭК, на вход один которых подается сигнал из соответствующего ИУ, и три схемы совпадений (СС) с двумя входами, с выхода каждой СС сигнал подается на управляющий вход два соответствующего ЭК, а с выхода последнего на соответствующий вход СН, а с выхода последнего сигнал подается на вход АД, последний включает в себя последовательно соединенные между собой мостовой выпрямитель (MB), на одну диагональ которого подается сигнал с СН, емкостный фильтр (ЕФ), на вход которого подается сигнал с другой диагонали MB, и ЭК, на вход один которого подается сигнал с ЕФ, с выхода которого в первом канале и канале частоты f₁ подается сигнал на вход АЦП, а с выхода АД первого канала сигнал подается еще и на входы 2 системы ЭК №2 счетчика импульсов СИВ, а во втором канале сигнал с ЭК подается на входы 2 системы ЭК №1 счетчика импульсов СИВ, кроме того, введена цепь, состоящая из последовательно соединенных фронтального ЗП, триггера Шмита и одновибратора, выход последнего этой цепи соединен с первыми входами СС ВС всех трех каналов и управляющим входом два ЭК всех АД, в него дополнительно введена система управления характеристиками направленности (СУХН), состоящая из дифференцирующей цепи (ДЦ), диода, микроконвертора первого канала и канала частоты f₁, микроконвертора второго канала, причем на вход ДЦ сигнал в виде прямоугольного импульса положительной полярности длительностью тридцать секунд поступает с одновибратора вышеуказанной цепи, с выхода ДЦ сигнал в виде двух разнополярных импульсов поступает на вход диода, его анод, с выхода диода сигнал в виде положительного импульса поступает на вход микроконвертора первого канала и канала частоты f₁, а также на вход микроконвертора второго канала, с выходов один, два и три микроконвертора первого канала и канала частоты f₁ в определенные моменты времени, определяемые установленной в этот микроконвертор программой, сигналы в виде прямоугольных импульсов положительной полярности длительностью пятнадцать секунд поступают на входы два соответствующих СС ВС первого канала и канала частоты f₁, с выходов один, два и три микроконвертора второго канала в определенные моменты времени, определяемые установленной в этот микроконвертор программой, сигналы в виде прямоугольного импульса положительной полярности длительностью пятнадцать секунд поступают на входы два соответствующих СС ВС второго канала.

Заявляемый АЛ иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1 Схема расположения левой, правой линейных групп звукоприемников, фронтального звукоприемника, центра фронта участка местности в секторе разведки акустического локатора района особого внимания и источника звука.

Фиг.2 Акустический локатор. Схема электрическая структурная. Фиг.3 Акустические сигналы, образованные одиночными выстрелами самоходной гаубицы калибра 152 мм, и их энергетические спектры, полученные экспериментально.

Фиг.4 Система управления характеристиками направленности линейных групп звукоприемников акустического локатора. Схема электрическая структурная.

Фиг.5 Выделители сигналов всех каналов. Схема электрическая структурная.

Фиг.6 Схема экранирования звука преградами (холмами, горами).

Фиг.7 Схема ведения звуковой разведки в северо-восточном направлении.

Фиг.8 Схема ведения звуковой разведки в северо-западном направлении.

Фиг.9 Схема ведения звуковой разведки в юго-западном направлении.

Фиг.10 Схема ведения звуковой разведки в юго-восточном направлении.

Фиг.11 Амплитудный детектор первого канала. Схема электрическая структурная.

Фиг.12 Избирательный усилитель. Схема электрическая принципиальная.

Фиг.13 Избирательный усилитель. Перечень элементов электрической принципиальной схемы.

Фиг.14 Система измерения времени. Схема электрическая структурная.

Фиг.15 Счетчик импульсов. Схема электрическая структурная.

Данный АЛ позволяет разведывать (определять ТК) ИЗ, находящихся на любом выбранном участке местности РОВ, в условиях наличия акустических помех, имеющих место на поле боя, см. фиг.1. Это обеспечивает прием сигналов от «нужных» ИЗ и их дальнейшую обработку, а также запрет обработки сигналов от других ИЗ, расположенных на других участках местности сектора разведки, и акустических помех, возникающих при ведении боя. Эти выбранные участки местности РОВ намечаются по топографической карте, где наиболее вероятно нахождение огневых позиций (ОП) артиллерии и минометов вероятного противника. Эти позиции обычно выбирают в низинах, противоположных опушках леса на расстояниях 2...8 км от линии боевого соприкосновения войск. Главными параметрами этих участков являются следующие:

1. Удаление примерного центра РОВ, точки Ц, от ЗП 4 ЛЛГ D_1Л, которое определяется по топографической карте, с использованием выбранного ориентира, и вводится в ЭВМ 50, см. фиг.1.

2. Угол α_К между направлением: ЗП 4 ЛЛГ - примерный центр РОВ Ц и направлением: ЗП 4 ЛЛГ - ЗП 6 ЛЛГ, измеренный, например, с помощью артиллерийской перископической буссоли ПАБ - 2А, который вводится в ЭВМ 50, см. фиг.1.

3. Удаление примерного центра РОВ, точки Ц от ЗП 1 ПЛГ D_1П, которое также определяется по топографической карте, с использованием выбранного ориентира, и вводится в ЭВМ 50, см. фиг.1.

4. Угол α_КП, который должен быть равен 90°, между направлением: ЗП 1 ПЛГ - примерный центр РОВ Ц и направлением: ЗП 1 ПЛГ - ЗП 3 ПЛГ, измеренный, например, с помощью артиллерийской перископической буссоли ПАБ - 2А, который вводится в ЭВМ 50, см. фиг.1.

5. Глубина участка, определяемая протяженностью по глубине ОП артиллерии и минометов в РОВ, которая составляет обычно около 8 км.

Время прихода АС от примерного центра РОВ, точки Ц, к ЗП 4 ЛЛГ ЗП можно определить по такому АВ:

t п р Л ˙ 1 = D 1 Л C C W ,                                                                                                                                                                           ( 1 )

где C W = C + W cos ( ϕ ) − с к о р о с т ь                                                                 ( 2 )

звука с учетом влияния ветра [5, с.24, 22, 21 и 25];

С = 331,5 1 + t B 273 - скорость звука без учета влияния ветра [5, с.21];

t_B - температура воздуха в приземном слое атмосферы, измеряемая дистанционным метеорологическим комплектом, например ДМК-2, см. [13, см. с.177] и вводимая в ЭВМ 50 перед ведением звуковой разведки, для определенности примем ее равной 5°C;

W - скорость ветра в приземном слое атмосферы, измеряемая также, например, дистанционным метеорологическим комплектом ДМК-2, см. [13, см. 181] и вводимая в ЭВМ 50 перед ведением звуковой разведки, для определенности примем ее равной 5 м/с;

φ≈φ_W-α_од;

α_W - дирекционный угол ветра [5, с.25];

α_од - дирекционный угол директрисы АБ АЛ.

Из фиг.1 видно, что удаление от примерного центра РОВ, точки Ц, от ЗП 5 ЛЛГ будет определяться по теореме косинусов, см. [14, с.186]:

D 2 Л = D 1 Л 2 + d Л 2 − 2 D 1 Л d Л cos ( α K ) ,                                                                                                                                                           ( 3 )

где d_Л - расстояние между рабочими осями микрофонов ЗП ЛЛГ.

Время прихода АС от примерного центра РОВ, точки Ц, к ЗП 5 ЛЛГ ЗП можно определить по такому АВ:

t п р Л 2 = D 2 Л C W .                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 4 )

Из фиг.1 видно, что удаление от примерного центра РОВ, точки Ц, от ЗП 6 ЛЛГ будет определяться по теореме косинусов, см. [14, с.186]:

D 3 Л = D 1 Л 2 + ( 2 d Л ) 2 − 2 D 1 Л ( 2 d Л ) cos ( α K ) .                                                                                                                                                           ( 5 )

Время прихода АС от примерного центра РОВ, точки Ц, к ЗП 6 ЛЛГ ЗП можно определить по такому АВ:

t п р Л 3 = D 3 Л C W .                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 6 )

Расчет времен прихода к ЗП ЛЛГ при различных направлениях ветра в рассматриваемом примере приведен в приложениях 5, 7, 9 и 11. На основе этих рассчитанных времен прихода программируется микроконвертор 42, см. фиг.4, который со своих выходов 1…3 подает в данные времена стробирующие прямоугольные импульсы положительной полярности длительностью 15 с на входы 2 СС ВС второго канала.

Время прихода АС от примерного центра РОВ, точки Ц, к ЗП 1, входящего в ПЛГ ЗП, можно определить по такому АВ:

t п р П 1 = D 1 П C W .                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 7 )

Из фиг.1 видно, что удаление Ц от ЗП 2, входящего в ПЛГ, будет определяться по теореме косинусов, см. [14, с.186]:

D 2 П = D 1 П 2 + d П 2 − 2 D 1 П d П cos ( α K П ) ,                                                                                                                                                       ( 8 )

где d_П - расстояние между рабочими осями микрофонов ЗП ПЛГ.

Время прихода АС от примерного центра РОВ, точки Ц, к ЗП 2, входящего в ПЛГ ЗП, можно определить по такому АВ:

t п р П 2 = D 2 П C W .                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 9 )

Из фиг.1 видно, что удаление примерного центра РОВ Ц, от ЗП 3, входящего в ПЛГ ЗП, будет определяться по теореме косинусов, см. [14, с.186]:

D 3 П = D 1 П 2 + ( 2 d П ) − 2 D 1 П ( 2 d П ) cos ( α K П ) ,                                                                                                                                                       ( 10 )

Расстояния d_Л и d_П должны выбираться такими, чтобы уровень боковых лепестков ХН ЛГ был минимальным при достаточно узком рабочем лепестке, в рассматриваемом примере они взяты одинаковыми и равными 10 м, см. фиг.5.

Время прихода АС от примерного центра РОВ, точки Ц, к ЗП 3, входящего в ПЛГ ЗП, можно определить по такому АВ:

t п р П 3 = D 3 П C W .                                                                                                                                                                                                                                                                   ( 11 )

Расчет времен прихода к ЗП ПЛГ при различных направлениях ветра в рассматриваемом примере произведен с помощью автоматизированной математической системы «Mathcad 20011 Professional)), который приведен в приложениях 6, 8, 10 и 12. На основе этих рассчитанных времен прихода программируется микроконвертор 41, см. фиг.4, который со своих выходов 1...3 подает в данные времена стробирующие прямоугольные импульсы положительной полярности длительностью 15 с на входы 2 СС ВС первого канала и канала частоты f₁.

Техническим результатом изобретения является следующее: повышение помехозащищенности АЛ за счет пространственной и временной селекции АС (это достигается относительно узкими ХН ЛЛГ и ПЛГ ЗП, которые на уровне 0,5 составляют несколько десятков градусов в зависимости от параметров ветра и температуры воздуха в приземном слое атмосферы, см. приложения 2 и 3; поступление АС в СН с определенных участков местности РОВ и только в определенные моменты времени, при поступлении селекторных импульсов с микроконверторов и сигнала от фронтального ЗП), а также частотной селекции электрического сигнала, которая достигается введением ИУ с резонансными частотами 18 и 19 Гц в соответствующие каналы, и очень узкой полосой пропускания этих ИУ (она должна составлять не более 2 Гц), и поэтому акустические помехи от летящих со сверхзвуковой скоростью снарядов и летательных аппаратов, имеющие более высокий диапазон частот, не оказывают воздействия на АЛ.

Для достижения указанного технического результата АЛ, включает в себя (см. фиг.1) ПЛГ ЗП (ЗП 1…ЗП 3); ЛЛГ ЗП (ЗП 4…ЗП 6); ЗП фронтальный 7, 3 КОС (канал частоты fb первый и второй каналы, см. фиг.2), канал частоты f₁ и первый канал, каждый из них содержит ВС 10, 15; СН 11, 16; АД 12, 17; АЦП 13, 18; регистр 14, 19; второй канал содержит ВС 20, СН 21, АД 22, СИВ 23, регистр №1 24 и регистр №2 25; ЭВМ 50; цепь, см. фиг.2, состоящую из последовательно соединенных фронтального ЗП 7, триггера Шмита 8 и одновибратора 9, выход одновибратора этой цепи соединен с первыми входами СС ВС всех трех каналов, см. фиг.5, и управляющим входом два ЭК всех АД, см. фиг.11, в него дополнительно введена СУХН 26, см. фиг.2 и 4, состоящая из ДЦ 39, диода 40, микроконвертора первого канала и канала частоты f₁ 41, микроконвертора второго канала 42, причем на вход ДЦ сигнал в виде прямоугольного импульса положительной полярности длительностью 30 с поступает с одновибратора вышеуказанной цепи, с выхода ДЦ сигнал поступает на вход полупроводникового диода, его анод, с катода диода сигнал поступает на вход микроконвертора первого канала и канала частоты f₁ 41, а также на вход микроконвертора второго канала 42, с выходов один, два и три микроконвертора первого канала и канала частоты f₁ 41, в определенные моменты времени, определяемые установленной в него программой, сигналы в виде прямоугольного импульса положительной полярности длительностью 15 с поступают на входы два соответствующих СС ВС первого канала и канала частоты f₁ 41, см. фиг.5, с выходов один, два и три микроконвертора второго канала 42 в определенные моменты времени, определяемые установленной в него программой, сигналы в виде прямоугольного импульса положительной полярности длительностью 15 с поступают на входы два соответствующих СС ВС второго канала.

СИВ 23 включает в себя, см. фиг.14, последовательно соединенные между собой кварцевый генератор 43, истоковый повторитель 44, триггер Шмита 45, делитель частоты 46 и счетчик импульсов 47,

Счетчик импульсов 47 состоит из 10 последовательно соединенных между собой триггеров (51-60). Выходы 2 этих триггеров соединены со входами 1 систем ЭК №1 48 и ЭК №2 49, а вход триггера 50 соединен с выходом делителя частоты.

Система ЭК №1 48 включает в себя 10 ЭК (61-70), на вход 2 которых подается сигнал от АД второго канала 22, а выходы этих ЭК шиной соединены с регистром №1 24 второго канала.

Система ЭК №2 49 включает в себя 10 ЭК (71-80), на вход 2 которых подается сигнал от АД первого канала 17, а выходы этих ЭК шиной соединены с регистром №2 25 второго канала.

Вышеуказанные устройства соединены следующим образом. Выходы ЗП 1…3 ПЛГ подключены ко входу ИУ №1 27, ИУ №2 30 и ИУ №3 33 соответственно ВС первого канала и канала частоты f₁ 10, см. фиг.2 и 5.

Выходы ЗП 4…6 ЛЛГ - ко входам ИУ №1 27, ИУ №2 30 и ИУ №3 33 соответственно ВС второго канала 20 (см. фиг.2 и 5).

Выходы ИУ №1 27, ИУ №2 30 и ИУ №3 33