"Зарубежное военное обозрение" 09'1995

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ С ГИБКИМИ ПРОТЯЖЕННЫМИ БУКСИРУЕМЫМИ АНТЕННАМИ ВМС США

Капитан 3 ранга Е. РЯПИСОВ

Для борьбы с подводными лодками противника США совместно с союзниками по НАТО и Японией создали в Атлантическом и Тихом океанах глубоко эшелонированную систему противолодочного наблюдения. В нее входят разнообразные силы и средства, в том числе стационарные, корабельные и авиационные гидроакустические. Все они предназначены для обнаружения подводных лодок противника и выдачи по ним целеуказания. Их действие основано на использовании главного демаскирующего признака ПЛ - шумов винтов и механизмов.
Шумы винтов наблюдаются в довольно широком диапазоне, а механизмов - в очень узком, в виде отдельных дискретных частот. Спектральный анализ шумов позволяет не только определить местонахождение подводной цели и элементы ее движения, но также довольно точно идентифицировать ее и выявить государственную принадлежность. С увеличением скорости лодки возрастает интенсивность составляющих ее шумов во всем диапазоне частот (рис. 1). Однако максимум излучения приходится на низкочастотную область: наибольшая интенсивность уровня излучения подводных целей и минимум потерь при их распространении. Анализ соотношения данных параметров дал толчок к началу разработки гидроакустических станций, работающих в низкочастотном диапазоне (10-300 Гц).

Принятие на вооружение ВМС многих стран мира современного высокоэффективного противолодочного оружия, управляемого с помощью боевых информационных систем на основе новейшей вычислительной техники, привело к тому, что гидроакустические средства ПЛ большую часть времени должны работать в пассивном режиме. Кроме того, пассивные станция могут обнаружить цель на дальности, превышающей дистанцию применения ее оружия. Так, возникла острая необходимость повышения точности шумопеленгования пассивных ГАС, достаточной для выработки данных стрельбы, а также решения проблемы прослушивания кормовых курсовых углов надводного корабля или подводной лодки, находящихся в области гидроакустической тени. Реализовать данные требования стало возможным за счет использования в гидроакустических комплексах низкочастотных ГАС с буксируемыми антеннами.
Дальность обнаружения подводных лодок зависит от следующих характеристик пассивных ГАС: показатель направленности антенны (от него зависит в пространственная избирательность); уровень собственных помех; порог обнаружения (дифференциал распознавания), определяемый для заданной вероятности обнаружения цели и распознавания ложных тревог.
На направленность антенны оказывают влияние характеристики гидрофонов, их количество и взаимное расположение. Поэтому с конца 60-х годов применяются приемные антенны большой длины, работающие в низкочастотном диапазонегибкие протяженные буксируемые антенны (ГПБА). Конструктивно ГПБА представляет систему, состоящую из соединенных между собой акустических модулей, содержащих гидрофоны и электронные схемы предварительной обработки сигнале> (рис. 2). Чувствительность гидрофоне> во многом определяется материалом, из которого они изготовлены. В современных системах используются пьезоэлектрическая керамика и пьезополимеры. На обоих концах гидрофонши секции антенны находятся специальные модули, поглощающие вибрацию, что позволяет значительно повышать скорость буксировки без снижения качества работы.

Каждый гидрофон соединен с кабель-тросом, по которому сигналы через схемы предварительной обработки передаются на борт корабля, где проходят окончательную обработку в бортовой аппаратуре или передаются в береговой центр обработка информации.
Графически характеристику направленности ГПБА можно представить в виде тела, имеющего форму объемного кольца с присоединенными к нему дополнительными конусами, образованными боковыми лепестками характеристики направленности. Трехмерная характеристика направленности круглой плоской антенны имеет более простую форму - прожекторный луч, обладающий симметрией вращения относительно нормали к плоскости и окруженный боковыми лепестками (рис. 3),
Сравнивая графические и аналитические выражения направленности ГПБА и плоской антенны можно сделать вывод, что с увеличением длины у протяженных антенн значительно улучшается показатель характеристики направленности по сравнению с плоскими антеннами, так как характеристики последних в большей степени ограничены их размерами. Пространственной ориентацией характеристики направленности протяженной антенны можно управлять либо механическим ее поворотом, либо путем включения последовательно или параллельно с каждым элементом акустической антенны соответствующих фазирующих цепей, обеспечивающих поворот оси максимальной чувствительности в заданном направлении. С начала 80-х годов в ГАС стал внедряться метод цифрового формирования диаграммы направленности.
В обнаружении подводных лодок средства с ГПБА приобрели особое значение, так как применение антенн протяженностью сотни метров позволило сместить их рабочий диапазон в область низких звуковых и инфразвуковых частот, К тому же разнесенность в пространстве антенны и корабля-носителя за счет использования длинных буксиров снижает влияние собственных шумов корабля на рабочие характеристики ГАС.
К числу недостатков ГПБА можно отнести отсутствие возможности непосредственно измерять дальность до цели (для этого прибегают к триангуляционному методу). Положение антенны в пространстве относительно корпуса корабля постоянно меняется. Она может отклоняться от диаметральной плоскости корабля за счет длины гибкого кабель-троса, произвольно изменять заглубление из-за неравномерного хода носителя и плотности воды, вибрировать по причине местных возмущений водной среды, вращаться вокруг собственной оси за счет скручивания буксировочного троса (рис. 4). Это сказывается на точности пеленгования.
Создание первых моделей систем с ГПБА началось в США в 1963 году, а в 1966-м были проведены морские испытания системы TASS (Towed Array Sonar System) с антенной длиной около 100 м и диаметром 7, 5 см. Полученные к 1967 году данные испытаний и результаты научных разработок позволили начать работы по созданию образцов с ГПБА для подводных лодок (программа STASS - Submarine Towed Array Sonar System) и для надводных кораблей (TACTASS - Tactical Towed Array Sonar System).
Для обеспечения эффективной работы в пассивном режиме в рамках программы STASS была разработана протяженная буксируемая система ТВ-16. Она предназначена для ГАК AN/BQQ-5, который в течение последних лет оставался главным в ВМС США средством гидроакустического обнаружения подводных лодок типа <Лос Анджелес> и ПЛАРБ <Огайо>. Конструктивно антенна ТВ-16 представляет собой линейную систему диаметром 82, 5 мм, состоящую из гидрофонов, заключенных в оболочку из полимерного материала <рис. 5). В целях уменьшения шумов обтекания и снижения сопротивления антенна заострена с обоих концов.

ГАК AN/BQQ-6 в основном представляет собой модифицированный вариант ГАК AN/BQQ-5. Схемы размещения антенных устройств в комплексах аналогичны (сферическая носовая, бортовая, конформная носовая и ГПБА). В состав ГАК AN/BQQ-6 входит также шумопеленгаторная станция инфразвукового диапазона. Первоначально антенна ТВ-16 крепилась непосредственно к буксирному устройству подводных лодок. Впоследствии ее разместили в кожухе, который крепился снаружи к корпусу лодки. Антенна оснащена также устройством для отсоединения ее от ПЛ в экстренных случаях. При буксировке ГПБА скорость лодки падает примерно на 0, 5 уз. Длина кабель-буксира 800 м для AN/BQQ-5 и 720 м для AN/BQQ-6. Антенна ставится и убирается с помощью гидравлического устройства, которым также можно регулировать ее длину. Антенна ТВ-16 обеспечивает работу пассивных ГАС в диапазоне частот от 10 Гц до нескольких килогерц и обнаружение подводных целей в пределах 15-90 км.
Пути дальнейшего повышения эффективности ГАС с ГПБА подводных лодок специалисты видят в смещении рабочего диапазона в сверх низкочастотную область спектра (единицы герц) для обнаружения ПЛ по тональным сигналам. Обнаружение таких сигналов предполагается осуществлять с помощью тонкой линейной буксируемой антенны ТВ-23, длина которой в перспективе составит 2000 м. Установка таких антенн в составе ГАК AN/BQQ-5D проводится в ходе планового ремонта многоцелевых атомных подводных лодок ВМС США. Антенны при этом размещаются в цистернах главного балласта ПЛА.
Использование ГПБА с надводных кораблей имеет ряд особенностей. В частности, у них лучшие возможности по постановке и выборке протяженных антенн, а также менее лимитирован их вес> то есть длина антенны может быть гораздо больше, чем у ПЛ. Однако, они не могут быстро изменить глубину буксировки антенны. Преимущественно на надводные корабли рассчитана программа TACTASS, предусматривающая разработку ГАС, способных обеспечить решение тактических задач на дальности до нескольких десятков километров и работающих в диапазоне средних частот.
Основные характеристики ГАС, созданных по программе TACTASS приведены в табл. 1.
Первой серийной станцией, предназначавшейся для надводных кораблей ВМС США, была AN/SQR-15. Она позволяла мобильно вести гидроакустическое наблюдение за ПЛ противника, однако в целом обладала ограниченными возможностями. В настоящее время станция еще состоит на вооружении отдельных кораблей ВМС США.
Тактическая ГАС AN/SQR-18 рассчитана на обеспечение ПЛО корабельных соединений (рис. 6). Она совершеннее, чем AN/SQR-15, обладает большей дальностью действия. Постановка и выборка протяженной антенны ГАС производятся с помощью подъемно-опускного устройства антенны ГАС AN/SQS-35, к обтекателю которой она крепится через кабель-трос. Предварительные усилители гидроакустических сигналов также размещены в обтекателе антенны ГАС AN/SQS-35, аппаратура обработки и отображения информации находится на борту корабля. Модернизированная станция ГАС - AN/SQR-18A - содержит электронное устройство, устраняющее с экрана индикатора засветки от собственных шумов, акустических шумов корабля-носителя и имеющее лучшую систему сопровождения. Эти станции поставлялись на вооружение ВМС США (в частности> фрегатов типа <Нокс>) вплоть до 1987 года.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАС С ГПБА
ХарактеристикиAN/SQR-18A{Y)AN/5QR-19AN/UQQ-2 (SURTASS)
Рабочий диапазон, ГцСредние частоты3-30001-3030
Дальность обнаружения, км15125До 550
Точность пеленгования, град3-102-52-5
Длина антенны, м2232451220
Диаметр антенны, мм82,582,5.
Длина кабель-троса, м152417001830
Масса бортовой аппаратуры, кг594058406030
Масса устройства постановки-выборки, кг7,67,61.
Скорость буксировки, уз (глубина, м)(335)(365)3 (150-450)

ГАС AN/SQR-19 предназначена для об нарушения и классификации подводных лодок во время сопровождения конвоев и выполнения задач по обеспечению авианосных соединений. Станция регистрирует температуру, электропроводность морской воды, в зависимости от гидрологии моря определяет глубину погружения антенны, оптимальную для прослушивания. В рабочем режиме антенна буксируется за кораблем ниже слоя скачка для уменьшения помех корабля-буксировщика.
По оценкам западных специалистов, станция обеспечивает в 10 раз большую дальность обнаружения и в 2 раза лучшую точность пеленгования, чем AN/SQR-18, а вероятность поражения целей в 2 раза выше. Число ПЛ, обнаруженных с помощью ГАС AN/SQR-19 в различных районах Мирового океана и разное время года, в среднем в 11 раз превышает количество лодок, обнаруженных с использованием ГАС AN/SQR-18A. В 1988-1989 годах было закуплено 10-16 комплектов станций AN/SQR-19 на сумму 112-165 млн. долларов. Дальность обнаружения ПЛ с помощью AN/SQR-19 при нахождении в зоне конвергенции достигает 65 км, в благоприятных гидроакустических условиях и на оптимальных скоростях буксировки - 100 км, при привлечении вертолетной системы LAMPS МкЗ- 125 км.
Задачи дальнего обнаружения подводных лодок противника могут решаться с помощью гидроакустических станций, разработанных в рамках программы SURTASS (Surveillance Towed Array Sonar System). Реализация данной программы началась в 4974 году. Предполагалось создать ГАС дальнего обнаружения, способную определять местоположение ПЛ, находящихся во второй и третьей зонах конвергенции. Работы над опытным образцом продолжались почти восемь лет.
Новая ГАС AN/UQQ-2 (SURTASS) предназначалась для судов дальнего гидроакустического наблюдения типа <Стал-ворт>> Они используют протяженную буксируемую антенну длиной 1220 м, которая может выпускаться за корму на 1830-м кабеле для покрытия диапазона глубины 150-450 м, В настоящее время в составе командования морских перевозок США насчитывается десять судов типа <Сталворт> (полное водоизмещение 2262 т, длина 68, 3 мт ширина 13, 1 м, осадка 4, 5 м, максимальная скорость 11 уз, дальность плавания 4000 миль, экипаж 30-33 человека, из них девять офицеров)- Три из них используются для борьбы с контрабандой наркотиков, один участвует в выполнении научных исследований в области гидроакустики, один находится в ремонте, пять заняты патрулированием в зонах низкой эффективности системы SOSUS в целях повышения вероятности обнаружения ПЛ или уточнения ах координат триангуляционным методом (четыре на Атлантике, ВМБ Литл-Крик, и один на Тихом океане, ВМБ Пёрл-Харбор). Патрулирование обычно выполняется в течение 30-60 сут на скорости 3 уз, при этом судно может пройти 6450 миль.
Кроме того, еще шесть судов данного типа заняты в программах различных ведомств, В случае необходимости все 16 судов могут быть направлены на патрулирование.
В 1986 году началась разработка нового судна-катамарана типа "Викториес", Его полное водоизмещение 3396 т, длина 71, 5 м. ширина 28, 5 м, осадка 7, 6 м, максимальная скорость 16 уз (3 уз при патрулировании), экипаж 32 человека. Оно имеет лучшие мореходные качества при патрулировании в открытом море малым ходом, чем суда типа <Сталворт>. В настоящее время в составе ВМС четыре катамарана типа <Викториес>.
TACAN/UQQ-1 (SURTASS) обеспечивает прием шумовых сигналов в более низкочастотной области акустического спектра, чем остальные ГАС с ГПБА. По сообщению зарубежных источников, она способна обнаруживать ПЛ на дальностях свыше 150 км, а в отдельных случаях -около 550 км. Дальность классификации составляет 140 км. Точность пеленгования ГАС в большей мере зависит от формируемой электронным методом характеристики направленности и в меньшей - от изменения положения антенны. Точность пеленгования составляет 2-5°.
Продолжаются работы по снижению влияния шума носителя на ГАС системы SURTASS, В настоящее время станции стали оснащаться специальными фильтрами, удаляющими с дисплея оператора рассеянный собственный шум корабля*.
Серьезным недостатком мобильной системы дальнего обнаружения подводных лодок SURTASS является уязвимость. Считается, что при возникновении конфликта противник в первую очередь будет стремиться уничтожить суда гидроакустического наблюдения, чтобы обеспечить безопасность своих ПЛ. Поэтому в качестве носителя ГАС системы SURTASS предлагается использовать ПЛ, что приведет к существенному снижению уязвимости системы и обеспечит скрытность наблюдения в мирное время.
Организация обработка информации, принимаемой ГАС системы SURTASS, предусматривает первичную обработку на борту судна и последующий детальный анализ в одном из двух береговых центров обработки информации (Норфолк, Перл-Хар-бор), куда она передается по линии спутниковой связи. При необходимости информация транслируется непосредственно на корабли ПЛО, находящиеся в районе наблюдения. В береговых центрах производится окончательная обработка данных, включающая корреляцию информации, поступающей от различных судов гидроакустического наблюдения. В современных низкочастотных гидроакустических комплексах аналоговые сигналы от гидрофонов преобразуются в цифровые с использованием адаптивного метода, основанного на теории оптимальной фильтрации, что обеспечивает высокую гибкость функционирования систем и низкий уровень ложных срабатываний в условиях помех. Применяемая для этого вычислительная аппаратура обладает заранее введенной избыточностью и является самонастраивающейся.
Гидроакустическая информация, принимаемая ГАС AN/SQR-19, обрабатывается процессором AN/UYS-2 В структуре автоматизированной системы управления противолодочным оружием AN/SQQ-89, в которой ГАС с ГПБА совместима с активной встроенной ГАС AN/SQS-53. Процессор осуществляет формирование характеристики направленности антенны, широкополосную обработку для первоначального обнаружения и анализа относительного движения цели, корреляцию поступающих гидроакустических сигналов, а также данных вертолетной системы LAMPS МкЗ.
В соответствии с планами ВМС США, к 1995 году автоматизированные системы AN/SQO-89 поступят на вооружение примерно 130 надводных кораблей, В настоящее время данная система проходит модернизацию, связанную с улучшением математического обеспечения и усовершенствованием аппаратуры. Кроме того, для кораблей охранения авианосцев разрабатывается новая боевая система ПЛО с улучшенными характеристиками.
Особое внимание уделяется созданию процессора для комплексной обработки гидроакустических сигналов. Б лодочных комплексах сигналы обрабатываются распределенными по отсекам многочисленными процессорами ЭВМ AN/UYK-43 и комплексом AN/BSY-1, Предусмотрено объединение данных, полученных с помощью активных и пассивных ГАС. Программное обеспечение системы объемом 4, 5 млн. строк размещается в 100 универсальных и 50 специализированных процессорах. Всего вычислительная аппаратура комплекса AN/BSY-1 занимает 117 стоек, ее масса 32 т. Базовой операцией средств цифровой обработки сигналов в системах с ГПБА является быстрое преобразование Фурье,
По мнению специалистов, можно существенно улучшить возможности гидроакустического вооружения посредством широкого внедрения интеллектуальных алгоритмов обработки информации, использования новейших технологий в области вычислительной техники, улучшения структуры средств обнаружения, совершенствования энергетических показателей интерфейса <человек - ЭВМ> и повышения качества подготовки операторов. Снижение вероятности пропуска целей предполагается добиться за счет передачи части функций оператора интеллектуальным алгоритмам, в частности четырем их видам:

СТАНДАРТНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ГАС С ГПБА
НаименованиеПроизводительность, млн.опер./сПрименение
AN/SQR-17A.ГАС с ГПБА AN/SQR-18A. вертолетная система ПЛО LAMPS Mkl
AN/UYS-120ГАС С ГПБА (SURTASS), вертолетная система LAMPS МкЗ
AN/UYS-2200Система SURTASS, комплекс AN/BSY-2. АСУ AN/SQQ-89
AN/UYK-432,3Комплексы AN/BSY-1 и -2
AN/UYK-440,9Система SURTASS, комплексы AN/BSY-1 и -2

- Алгоритм повышения эффективности эксплуатации ГАС. Он способствует облегчению восприятия информации оператором при обнаружении и классификации целей. Так, в ГАС, работающих на относительно высоких частотах, доплеровский сдвиг из-за взаимного движения цели и носителя ГАС между частотой эхо-сигнала и центральной частотой ре вербе рацион ной помехи составлял 50 Гц и более, то есть был различим на слух. Снижение рабочих час-гот ГАС с ГПБА привело к тому, что доплеровский сдвиг оказался в пределах 50 Гц и стал неразличим для оператора. Процессор DEP (Doppier Enhancement Processor), реализующий алгоритм повышения эффективности эксплуатации ГАС, устраняет этот недостаток. Он адаптивно подавляет реверберацию, усиливает эхо-сигнал и сдвигает его относительно помехи на величину, обеспечивающую значение доплеровского сдвига, но превышающего порог чувствительности оператора. Благодаря этому значительно уменьшается вероятность ложной тревоги.
- Алгоритм автоматического выбора режима работы и определения канала обработки. Он обеспечивает мгновенную оценку поля шумов> окружающих условий и других характеристик, способствующих оптимальному выбору средств обнаружения и режимов работы. Оператор оповещается об изменениях окружающей среды и тактической обстановки.
- Алгоритм дежурного режима. С его помощью выделяется канал, в котором обнаружен сигнал, и вырабатывается сигнал, предупреждающий оператора.
- Алгоритм адаптивной обработки. Согласует работу процессора с параметрами обнаруженного сигнала.
По мере развития новых средств обнару-жения с ГПБА интеллектуальные алгоритмы будут оказывать значительную помощь в решении задач ПЛО.
Состав стандартных средств, использующихся для обработки информации в системах с ГПБА, и их производительность показаны в табл. 2.
Не решена проблема обеспечения более высокой точности пеленгования целей и улучшения работы в условиях сильных локальных помех. С увеличением дистанции до цели возрастает погрешность обнаружения места цели. Например, при точности пеленгования 1° на дистанции 50 км протяженность области возможного нахождения цели составляет 1 км. Поэтому наибольший эффект дает применение антенн в сочетании с палубными противолодочными вертолетами и другими надводными кораблями для уточнения контакта и применения оружия.
Снижение шумности ПЛ ставит проблемы в области новых разработок и модернизации существующих ГАС, решение которых будет осуществляться главным образом за счет дальнейшего снижения рабочего диапазона пассивных и активных ГАС, разработки технологии активных ГАС низкочастотного диапазона и новых станций -на основе волоконной оптики.
Одним из перспективных направлений развития средств с ГПБА считается создание активно-пассивных низкочастотных систем. Конструктивно они состоят из крупногабаритной излучающей и пассивной буксируемой антенн. По сообщению зарубежных источников, такие системы будут иметь значительные преимущества при обнаружении и сопровождении целей по сравнению с существующими (например, AN/SQR-19), так как излучаемый сигнал может содержать отличительные признаки по частоте, виду модуляции, ширине полосы, уровню. К этому необходимо добавить, что на низких частотах потери при распространении сигнала в водной среде наименьшие. Поскольку дискретные составляющие спектра шумов располагаются главным образом в низкочастотной области, то звукопоглощающие покрытия перестают быть эффективными.
HTTP://ATTEND.TO/COMMI
Hosted by uCoz