Гидроакустическая станция

Гидроакустическая станция — это комплекс технических средств, предназначенный для обнаружения, классификации и определения местоположения подводных и надводных объектов, а также для передачи информации и навигации с помощью акустических (звуковых) волн, распространяющихся в водной среде. Гидроакустические станции являются основным средством подводного наблюдения и связи, применяемым на кораблях, подводных лодках, береговых постах, а также на беспилотных аппаратах и стационарных донных платформах.

Принцип действия

Гидроакустическая станция (ГАС) работает на основе использования акустических колебаний в диапазоне инфразвуковых, звуковых и ультразвуковых частот (от единиц герц до сотен килогерц). В водной среде звук распространяется значительно лучше, чем электромагнитные волны (радиоволны, свет), поэтому акустика является основным методом подводной разведки и связи.

Принцип действия активной ГАС заключается в излучении зондирующего акустического сигнала (импульса) в воду и последующем приёме эхо-сигналов, отражённых от объекта (цели). По времени задержки между излучением и приёмом определяется дистанция до цели, а по изменению частоты (эффект Доплера) — скорость её перемещения. Пассивная ГАС только принимает акустические волны, излучаемые самим объектом (шум винтов, работа механизмов, гидродинамические шумы), что позволяет обнаруживать цели без демаскировки собственного местоположения.

История

Зарождение гидроакустики

Первые попытки использования звука для обнаружения подводных объектов относятся к началу XX века. После гибели «Титаника» в 1912 году начались активные исследования в области подводной акустики. В 1914 году канадский изобретатель Реджинальд Фессенден создал первый действующий прототип гидроакустического прибора — «эхолот», который мог обнаруживать айсберги на расстоянии до 2 миль.

Во время Первой мировой войны, в связи с угрозой немецких подводных лодок, во Франции и Великобритании были разработаны первые гидрофоны (пассивные приёмники звука). В 1917 году французский физик Поль Ланжевен совместно с русским инженером Константином Шиловским создал первый активный гидролокатор, использующий пьезоэлектрический эффект (кварцевые пластины) для излучения и приёма ультразвука. Это устройство могло обнаруживать подводную лодку на расстоянии до 1500 метров.

Развитие в межвоенный период и Вторую мировую войну

В 1920–1930-е годы гидроакустические станции активно совершенствовались. В СССР в 1930 году была создана первая отечественная ГАС «Арктур» для кораблей ВМФ. К началу Второй мировой войны все крупные военно-морские державы имели на вооружении гидроакустические станции различных типов.

В годы войны наибольшее развитие получили пассивные станции (шумопеленгаторы), которые позволяли подводным лодкам обнаруживать корабли противника на больших дистанциях, не выдавая себя. Активные станции (гидролокаторы) устанавливались на надводных кораблях для поиска подводных лодок. К концу войны появились первые станции с электронно-лучевыми индикаторами кругового обзора.

Послевоенный период и современность

С 1950-х годов началось внедрение цифровых методов обработки сигналов, фазированных антенных решёток и буксируемых антенн. В 1960-х годах появились первые гидроакустические станции с автоматическим сопровождением целей. В СССР были разработаны такие известные ГАС, как «Рубин» (для подводных лодок), «Платина» (для надводных кораблей), «Неман» (для береговой обороны).

Современные ГАС (начало XXI века) представляют собой сложные цифровые системы, способные одновременно обрабатывать сигналы от сотен приёмных элементов, выделять цели на фоне помех, классифицировать их по типу (подводная лодка, надводный корабль, морское животное, геологический объект) и выдавать данные для системы управления оружием.

Классификация

Гидроакустические станции классифицируются по нескольким основным признакам.

По режиму работы

• Активные (гидролокаторы) — излучают акустические сигналы и принимают их отражение. Обеспечивают точное определение дистанции и координат, но демаскируют носитель.
• Пассивные (шумопеленгаторы) — только принимают акустические сигналы от целей. Обеспечивают скрытность, но не позволяют точно определить дистанцию (только пеленг).
• Комбинированные — совмещают оба режима, переключаясь между ними в зависимости от тактической обстановки.

По месту установки

• Корабельные — устанавливаются на надводных кораблях и подводных лодках. Могут быть носовыми (в обтекателе), бортовыми, днищевыми.
• Береговые (стационарные) — размещаются на берегу или на дне моря, образуют системы дальнего обнаружения (например, система SOSUS в США).
• Авиационные — устанавливаются на противолодочных самолётах и вертолётах, опускаются в воду на тросе (опускаемые гидроакустические станции, ОГАС).
• Буксируемые — размещаются на гибком кабеле-буксире за кораблём или подводной лодкой, позволяют вынести антенну за пределы корпуса для снижения собственных шумов.
• Донные (автономные) — устанавливаются на морском дне для длительного наблюдения, могут быть сбрасываемыми с самолётов или кораблей.

По дальности действия

• Ближнего действия (до 5–10 км) — для поиска мин, подводных пловцов, малых объектов.
• Среднего действия (10–50 км) — для обнаружения подводных лодок и надводных кораблей.
• Дальнего действия (50–300 км и более) — для стратегического наблюдения, используются в системах ПЛО (противолодочной обороны).

Устройство и основные компоненты

Типовая гидроакустическая станция включает следующие основные элементы:

1. Антенна (гидроакустическая антенная решётка) — набор пьезоэлектрических преобразователей (гидрофонов) для излучения и/или приёма акустических волн. Антенны могут быть плоскими, цилиндрическими, сферическими, линейными (буксируемые).
2. Приёмно-усилительный тракт — усиливает слабые сигналы от гидрофонов, фильтрует помехи.
3. Передающее устройство — формирует мощные электрические импульсы для излучения антенной.
4. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — преобразует аналоговые сигналы в цифровой код для обработки.
5. Цифровой процессор (вычислительный блок) — выполняет алгоритмы обработки сигналов: фильтрацию, спектральный анализ, обнаружение, пеленгование, классификацию, сопровождение целей.
6. Индикаторное устройство — отображает информацию оператору (эхограмма, планшет, тактическая обстановка).
7. Система управления — позволяет оператору выбирать режимы работы, параметры излучения, зоны поиска.

Применение

Военное применение

Основное назначение ГАС — обеспечение противолодочной обороны (ПЛО) и подводной разведки. Военные гидроакустические станции используются:

• Для обнаружения подводных лодок противника (в том числе малошумных дизель-электрических).
• Для поиска морских мин и подводных диверсионных средств.
• Для обеспечения навигации подводных лодок (гидроакустические навигационные системы).
• Для гидроакустической связи между подводными лодками и кораблями.
• Для классификации целей (определение типа, размеров, скорости).

Гражданское применение

• Рыбопоиск — обнаружение косяков рыбы, определение их плотности и глубины.
• Гидрография — картографирование дна, поиск затонувших объектов (судов, самолётов).
• Нефтегазовая разведка — сейсморазведка на шельфе, поиск подводных трубопроводов.
• Океанология — изучение подводных течений, рельефа дна, биологических объектов.
• Навигация — эхолоты для измерения глубины, подводные навигационные маяки.

Характеристики и параметры

Основные тактико-технические характеристики гидроакустических станций:

• Рабочий диапазон частот — определяет разрешающую способность и дальность (низкие частоты — дальше, но хуже разрешение; высокие — ближе, но точнее).
• Дальность обнаружения — максимальное расстояние, на котором станция может надёжно обнаружить типовую цель (зависит от гидрологии среды, уровня шумов, мощности излучения).
• Разрешающая способность — минимальное расстояние между двумя целями, при котором они различаются как отдельные.
• Точность пеленгования — точность определения направления на цель (в градусах).
• Уровень собственных шумов — чем ниже, тем чувствительнее станция.
• Помехозащищённость — способность работать в условиях естественных и искусственных помех (шум моря, биологические шумы, помехи от других кораблей).

Интересные факты

• В 1912 году, после гибели «Титаника», британское правительство объявило конкурс на лучшее устройство для обнаружения айсбергов — это стимулировало развитие гидроакустики.
• Самые мощные гидроакустические станции в мире — это стационарные системы США (SOSUS) и России (системы «Днепр», «Волхов»), способные слышать подводные лодки на расстоянии до нескольких тысяч километров.
• Гидроакустические станции используются не только для обнаружения техногенных объектов, но и для изучения китов и дельфинов — их эхолокационные сигналы могут быть записаны и проанализированы.
• В 1960-х годах советская подводная лодка К-19, оснащённая ГАС «Рубин», установила рекорд по длительности автономного плавания, во многом благодаря надёжной гидроакустической навигации.
• Современные буксируемые ГАС могут иметь длину антенны до 1000 метров и содержать сотни гидрофонов.

Перспективы развития

Основные направления совершенствования гидроакустических станций включают:

• Переход на полностью цифровую обработку сигналов с использованием искусственного интеллекта для автоматической классификации целей.
• Создание многолучевых и широкополосных систем, позволяющих одновременно вести поиск в нескольких режимах.
• Разработка малогабаритных ГАС для беспилотных подводных аппаратов (БПА) и дронов.
• Использование адаптивных алгоритмов, подстраивающихся под изменяющуюся гидрологическую обстановку.
• Интеграция с другими сенсорами (магнитометрами, тепловизорами, радиолокаторами) в единые информационные системы.

Источники

• Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. — М.: Судостроение, 1978.
• Корякин Ю. А., Смирнов С. А., Яковлев Г. В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. — СПб.: Наука, 2004.
• Хортон Дж. Основы гидролокации. — Л.: Судпромгиз, 1961.
• Бурдин В. С. Гидроакустические станции. — М.: Воениздат, 1985.
• Большая российская энциклопедия: Гидроакустика. — М.: БРЭ, 2006.