Тенденции развития гидроакустических средств в составе комплексов автономных и телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов - Основные принципы мониторинга подводной обстановки

Решение государственных задач обеспечения энергетической безопасности и национальных интересов в борьбе за морские ресурсы обусловлено использованием современных подводных технологий, средств и систем. Значительная удаленность от берега, большая рабочая глубина, суровые климатические условия, сложность рельефа дна сильно ограничивают возможность использования водолазов и традиционных видов подводной техники. Для проведения работ в таких условиях наиболее перспективным является применение телеуправляемых (ТНПА) и автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА).

Очевидно, что в наступившем веке работа под водой - это функция робототехнических систем. За последнее десятилетие в мировой практике развития передовых подводных технологий. произошли значительные положительные сдвиги в области энергетики, микроэлектроники, механотроники, информационных технологий. Современные управляющие системы вышли на качественно новый этап развития, характеризуемый применением новейшей микропроцессорной элементной базы и созданием на ее основе автономных, интеллектуальных, роботизированных систем.

Возросшие технические возможности современных подводных автономных и телеуправляемых аппаратов позволяют производить:

- поисково-обследовательские работы, включая поиск и обследование затонувших объектов, инспекцию подводных сооружений и коммуникаций, трубопроводов, кабелей; - геологоразведочные работы, включающие фото и видеосъемку, акустическое профилирование и картографирование рельефа дна; - подледные работы, в том числе прокладка трубопроводов и кабеля, обслуживание систем наблюдения и освещения подводной обстановки; - океанографические исследования, мониторинг водной среды; - работы военного назначения, включая противоминную борьбу, противолодочную разведку, поиск аварийной подводной лодки лежащей на грунте, патрулирование и обеспечение безопасности акваторий, имитацию подводных акустических целей.

Гидроакустические приборы давно вошли и прочно закрепились в составе оборудования ТНПА и АНПА. Современные подводные телеуправляемые аппараты, как правило, оснащаются гидролокатором кругового обзора, альтиметром и звуковизором, автономные необитаемые аппараты, оснащаются впередсмотрящим гидролокатором, гидролокатором бокового обзора, доплеровским измерителем скорости в комплексе с инерциальной навигационной системой, гидроакустическим модемом и гидроакустической системой навигации с длинной или ультракороткой базой.

Гидроакустические приборы используются для решения следующих задач:

- навигация ТНПА в условиях плохой видимости (звуковизоры и ГКО); - определение и отображение на борту обеспечивающего судна текущего местоположения аппарата в условиях мелкого и глубокого моря (доплеровский лаг с ИНС, ГАНС, г/а модем); - безопасное плавание и выполнение поставленных задач вблизи дна и донных препятствий (впередсмотрящий гидролокатор, многолучевые системы); - управление ходом выполнения поставленных задач с борта судна и получение на борту судна необходимой информации о состоянии систем аппарата (г/а модем); - высокоскоростной обмен информацией в группировке автономных аппаратов между собой и судном по гидроакустическому каналу связи (г/а модем); - системы сбора данных (ГБО, многолучевые эхолоты, профилемеры, ИГБО, ГБО с синтезированной апертурой).

В результате развития технологий удалось создать компактные гидроакустические системы с высокими быстродействием и разрешающей способностью, акустические видеокамеры или звуковизоры. Данные устройства представляют собой миниатюрные многолучевые гидролокаторы, работающие на высокой частоте (от 450 кГц до 1 Мгц), скорость обновления изображения составляет до 25 кадров/секунду. Дальность работы данных устройств может составлять десятки метров. Звуковизор Gemini 720i показал способность демонстрировать приемлемое качество акустического изображения на дальности до 120м. Малый вес и габаритные размеры делают его идеальным выбором для установки на АНПА и ТНПА.

Рис. 1 Использование звуковизора для заполнения слепой зоны при проведении

Использование систем динамического позиционирования делает управление ТНПА безопаснее, более стабильным и простым. Английская компания SeeBite разработала специальное программное обеспечение SeeTrack Offshore решающее задачу динамического позиционирования ТНПА. Программное обеспечение SeeTrack Offshore разработано с использованием модульной архитектуры и многоуровневым интерфейсом, который может быть адаптирован к любым уже существующим ТНПА соответствующего размера, дополнив их лишь инерциальной системой с доплеровским лагом. Многоуровневый интерфейс, связывает поверхностный блок управления и навигационные датчики, такие как доплеровский измеритель скорости (Teledyne RDI Workhorse Navigator), датчик курса и датчик глубины, альтиметр, а также звуковизор (BlueView). Данные на полученные от этих сенсоров служат входной информацией для модуля автопилота, который в свою очередь управляет положением ТНПА, как того требует пилот или задание. Свойства программы SeeTrack CoPilot:

- режимы работы: автоматический, полуавтоматический, ДП; - оптимальное управление в любых условиях, включая подстройку на изменение полезной нагрузки; - выполнение заранее спланированной миссии. Идеально подходит для проведения гидрографической съемки; - выполнение автоматического инспектирования, опор, протекторов, райзеров и якорных цепей.

Другой продукт разработанный компанией Seebyte: это модуль AutoTracker, который уже прошел успешные испытания на АНПА GAVIA. Модуль позволяет АНПА в автоматическом режиме проводить поиск и осмотр трубопроводов и обеспечивая поддержание постоянной дистанции между АНПА и трубопроводом, используя информацию, получаемую от установленных на борту АНПА звуковизора (фотокамеры) и гидролокатора бокового обзора. В 2006 г. установлен рекорд, аппарат автономно прошел по трубе 22,2 км.

Гидроакустические модемы используются на АНПА для управления ходом выполнения работы с борта судна, получения информации о состоянии систем АНПА и обеспечивают высокоскоростной обмен информацией между АНПА и судном по гидроакустическому каналу связи. Отличные результаты показывают гидроакустические модемы компании EvoLogics. Высокая скорость передачи данных позволяет передавать большие объемы информации.

Например, файлов содержащих фотоизображения или данные получаемые от гидролокатора бокового обзора на большие расстояния, что создает предпосылки для создания подводных информационных сетей. Кроме того, некоторые модели могут одновременно с передачей данных выполнять еще и функции системы позиционирования, предоставляя надежную связь и позиционирование даже в самой сложной гидроакустической обстановке, отслеживая при этом до 255 целей. Точность измерения дистанции до медленно движущегося АНПА 1.5 см, быстродвижущегося - 5-10 см, 0.5 в зашумленной среде 0.15 в хорошей акустической обстановке. Основываясь на восьмилетнем исследовании физики связи дельфинов, EvoLogics разработала и запатентовала технологию передачи данных под водой Sweep Spread Carrier (S2C). Технология S2C, используемая в этих модемах, являет собой настоящий прорыв в подводных коммуникациях и позиционировании, демонстрирует отличную производительность, малое запаздывание, легкость интеграции, высокую точность и надежность, так необходимые для использования на АНПА.

Обращает на себя внимание многолучевой эхолот Sonic2024 американской фирмы R2Sonic, устанавливаемый на АНПА Double Egle MKII в качестве впередсмотрящего гидролокатора. Это первый многолучевой эхолот с изменяемым в процессе работы от 200кГц до 400кГц диапазоном частот. Кроме режима многолучевого эхолота (256 фокусированных 0.5°-1° лучей ), данный гидролокатор имеет опцию - режим сниппетов в котором отображаются амплитуды отраженного сигнала на каждом луче, удаляясь от излучателя лучи взаимно перекрывают друг друга. При последующем суммировании полученных по каждому лучу данных получается изображение аналогичное изображению ГБО. Еще одна опция R2Sonic, это работа в режиме впередсмотрящего эхолокатора, позволяющая различать объекты, находящиеся в толще водяного столба. Кроме вышеперечисленных режимов имеется возможность оперативно изменять полосу обзора в диапазоне от160° до 10° и электронным способом менять направление обзора в пределах сектора 160°, что позволяет проводить съемку опор причалов и береговой линии, получать профиль каналов и рек.

На АНПА GAVIA для проведения батиметрической съемки устанавливается ИГБО SwathPlus. Малые габариты и широкая полоса охвата, главные преимущества интерферометрических ГБО по сравнению с многолучевыми системами. Система очень эффективна на мелководных участках и внутренних водоемах, так как ширина обзора составляет 12 значений глубины, а количество глубин, получаемых за один "пинг", достигает 5 тысяч. необитаемый подводный аппарат гидроакустический

Новым словом в развитии гидроакустических приборов для АНПА стала новейшая разработка канадских ученых, так называемый Software Defined Sonar (SDS) или Программно-Определяемый Сонар, в котором все или некоторые функции физического уровня задаются программно. Традиционные конструкции гидроакустических приборов ограничивают их многофункциональное использование, изменение их параметров зачастую требует физического вмешательства в конструкцию. Технология SDS обеспечивает эффективное и сравнительно недорогое решение этой проблемы, позволяя использование гидроакустического прибора в разных режимах, в широкой полосе частот от 1 кГц до 1.25 МГц, делая его многофункциональным прибором. SDS является высокопроизводительной, с динамически изменяемой частотой акустической приемопередающей антенной, которая может иметь от 16 до 2048 высокоскоростных (до 20 МГц) каналов с 24 битным аналогово-цифровым преобразованием. Программно-центрический дизайн объединяет гибкость программируемых цифровых сигнальных процессоров (DSP) с реконфигурируемой логикой программируемых интегральных схем ПЛИС (FPGA). Использование данной технологии позволяет наделить уже существующие гидроакустические системы новыми свойствами и возможностями, не меняя при этом существенно их аппаратной части. Военное применение АНПА подразумевает их использование для решения задачи поиска и обнаружения мин лежащих на дне и мин находящихся в толще водяного столба. Для этих целей используются гидролокаторы бокового обзора с синтезированной апертурой. Канадская компания Marport Deep Sea Technologies анонсировала новый, построенный на вышеописанной технологии SDS, интерферометрический сонар с синтезированной апертурой AquaPix. Имея конкурентную по сравнению с существующими аналогами цену, АquaPix устанавливает новый стандарт высокоскоростных изображений высокого разрешения. Сонар с частотой изменяемой в диапазоне от 200 до 400 кГц, дает независимое от удаления разрешение 2.5 см на 2.5 см, по всей полосе обзора, наряду с сопутствующими данными батиметрии. Эффективная полоса охвата составляет 12 значений глубины на мелководье, максимальным значением до 600 м. Данная полоса обзора как минимум вдвое больше чем у известных на данный момент гидролокаторов бокового обзора высокого разрешения. Широкий динамический диапазон и исключительное качество изображения, в интеграции с системой распознавания образов на борту АНПА система AquaPix является идеальным средством противоминной борьбы. Сонар с синтезированной апертурой, является сонаром в котором используется обработка последовательности посылок сигналов сложной формы для формирования изображения высокого разрешения по сравнению с обычными ГБО. Для формирование изображения система выстраивает отражения с точностью менее чем 0.1 мм. Это стало возможным благодаря одновременному использованию преимуществ широкополосных гидролокаторов и техники адаптивного фокусирования, похожей на ту, что используется в оптике, но в данном случае реализованной с помощью программных средств. Новейшие сонары с синтезированной апертурой обеспечивают площадь покрытия в несколько квадратных километров в час, предоставляя при этом данные имеющие сантиметровую точность, что дает возможность получать изображения близкие по качеству к оптическим фотографиям, обеспечивая четкое автоматическое распознавание миноподобных объектов в реальном режиме времени. Кроме того, сонар с синтезированной апертурой может предоставлять высокоточную оценку о скорости АНПА относительно морского дна, что может быть использовано для ограничения дрейфа инерциальной навигационной системы и ее уточнения, обеспечивая высокоточные данные о положении АНПА под водой.

Похожие статьи