Гидролокатор

Гидролокатор — это устройство для обнаружения, распознавания и определения местоположения подводных объектов с помощью акустических (звуковых) волн. Относится к классу гидроакустических средств. Принцип действия основан на излучении звуковых сигналов в водную среду, приёме их отражений от объектов (эхосигналов) и последующей обработке принятых данных для получения информации о целях. Гидролокаторы являются основным инструментом подводного наблюдения, так как радиоволны и свет в воде распространяются на очень малые расстояния.

История

Первые попытки использования звука для обнаружения объектов под водой относятся к началу XX века. После гибели «Титаника» в 1912 году возникла потребность в средствах обнаружения айсбергов. В 1914 году канадский изобретатель Реджинальд Фессенден создал экспериментальную установку, которая могла обнаруживать айсберги на расстоянии до 3 км, используя отражение звука от их подводной части.

Активное развитие гидролокаторов началось в годы Первой мировой войны в связи с необходимостью борьбы с подводными лодками. В 1917 году французский физик Поль Ланжевен совместно с русским инженером Константином Шиловским разработал первый действующий гидролокатор, использующий пьезоэлектрический эффект кварца для генерации и приёма ультразвуковых импульсов. Это устройство, названное «сонаром» (от англ. SOund Navigation And Ranging), могло обнаруживать подводные лодки на расстоянии до 1500 метров.

В 1920-1930-е годы гидролокаторы совершенствовались, появились первые эхолоты для измерения глубины. Во время Второй мировой войны гидроакустические станции стали обязательным оборудованием противолодочных кораблей. В послевоенный период, с развитием электроники и цифровой обработки сигналов, гидролокаторы стали значительно точнее, дальнодейственнее и компактнее. В СССР и России разработкой гидроакустической техники занимались такие организации, как ЦНИИ «Морфизприбор» и Акустический институт имени Н. Н. Андреева.

Принцип действия

Гидролокатор работает по принципу эхолокации. Основные этапы работы:

1. Излучение: Генератор создаёт электрический импульс, который подаётся на излучатель (гидроакустическую антенну). Антенна преобразует электрические колебания в акустические и излучает их в воду в виде узкого или широкого луча.
2. Распространение: Звуковая волна распространяется в воде со скоростью около 1500 м/с (зависит от температуры, солёности и давления). Вода является хорошей средой для звука — затухание сигнала значительно меньше, чем в воздухе.
3. Отражение: При встрече с объектом (дном, рыбой, подводной лодкой, затонувшим кораблём) часть звуковой энергии отражается обратно. Характер отражения зависит от формы, размеров, материала и ориентации объекта.
4. Приём: Отражённый сигнал (эхо) улавливается той же или отдельной приёмной антенной. Антенна преобразует акустические колебания обратно в электрический сигнал.
5. Обработка: Усиленный сигнал анализируется электронным блоком. Измеряется время задержки между излучением и приёмом, что позволяет вычислить расстояние до объекта (по формуле: расстояние = скорость звука × время задержки / 2). Анализируется также амплитуда (сила) сигнала, его форма и доплеровский сдвиг частоты (для определения скорости движения цели).
6. Отображение: Результаты выводятся на дисплей в виде эхограммы, карты дна или отметок целей.

Классификация

Гидролокаторы классифицируются по нескольким признакам.

По способу формирования сигнала

• Активные — излучают собственный звуковой импульс и принимают его отражение. Позволяют обнаруживать объекты, которые сами не издают звуков. Основной тип для поиска и навигации.
• Пассивные — только принимают звуки, издаваемые самими объектами (шум винтов, работа механизмов, гидродинамические шумы). Не демаскируют себя излучением, но не могут обнаружить неподвижные или бесшумные цели. Используются на подводных лодках и противолодочных кораблях.

По назначению

• Навигационные (эхолоты) — для измерения глубины под килем и построения профиля дна. Работают на частотах 50–200 кГц, имеют узкий луч.
• Поисковые (сонары) — для обнаружения подводных объектов (рыбных косяков, затонувших предметов, подводных лодок). Работают на средних частотах (10–50 кГц) и могут иметь как узкий, так и широкий луч.
• Гидролокаторы бокового обзора (ГБО) — для детального картирования дна. Устанавливаются на буксируемых аппаратах, излучают сигналы в стороны от курса. Позволяют получать акустические изображения дна с высоким разрешением.
• Гидролокаторы переднего обзора — устанавливаются на подводных аппаратах и торпедах, обеспечивают обзор пространства впереди по курсу для навигации и обнаружения препятствий.
• Профилографы — для изучения геологического строения дна (слоёв осадков). Используют низкие частоты (1–10 кГц), проникающие в грунт.
• Многолучевые эхолоты — для точного трёхмерного картографирования дна. Излучают сразу несколько лучей (до нескольких сотен), покрывающих широкую полосу.

По способу установки

• Корпусные — устанавливаются на днище корабля или подводной лодки.
• Буксируемые — размещаются в буксируемом за кораблём обтекателе (рыбе). Позволяют работать на больших глубинах и снижают влияние собственных шумов носителя.
• Опускаемые — опускаются на тросе с борта судна на заданную глубину.
• Автономные — устанавливаются на подводных аппаратах (обитаемых и необитаемых), донных станциях или буях.

Устройство и характеристики

Основные компоненты типичного активного гидролокатора:

• Гидроакустическая антенна (излучатель и приёмник). Представляет собой массив пьезокерамических или магнитострикционных элементов. Форма и размер антенны определяют ширину луча и частотный диапазон.
• Генератор зондирующих импульсов — формирует мощные электрические импульсы заданной частоты, длительности и формы.
• Приёмно-усилительный тракт — усиливает слабые эхосигналы, фильтрует помехи.
• Блок цифровой обработки сигналов — выполняет вычисление задержек, спектральный анализ, подавление шумов, формирование изображения.
• Индикатор — дисплей для отображения информации (эхограмма, карта, цифры).
• Система управления — интерфейс оператора, настройка параметров.

Ключевые характеристики:

• Рабочая частота: от 1 кГц (низкие, для дальнего обнаружения) до 1 МГц (высокие, для высокого разрешения на малых дистанциях). Чем выше частота, тем выше разрешение, но меньше дальность.
• Дальность действия: от нескольких метров (у высокочастотных ГБО) до десятков километров (у низкочастотных противолодочных станций).
• Разрешающая способность: способность различать два близко расположенных объекта. Зависит от частоты, длительности импульса и ширины луча.
• Ширина луча: от долей градуса (узкий луч) до 180° (широкий). Узкий луч даёт высокую точность, широкий — больший обзор.
• Мощность излучения: от нескольких ватт до десятков киловатт.

Применение

Гидролокаторы имеют широкий спектр применения в различных сферах.

Военное дело

• Обнаружение, классификация и слежение за подводными лодками и надводными кораблями.
• Поиск мин и торпед.
• Обеспечение навигации подводных лодок и торпед.
• Гидроакустическое противодействие (создание помех).

Гражданское судоходство и навигация

• Эхолоты для измерения глубины и безопасного плавания.
• Поиск затонувших объектов (кораблей, самолётов, грузов).
• Обеспечение захода в порты и прохода по узким фарватерам.

Рыболовство

• Поиск косяков рыбы (рыбопоисковые эхолоты).
• Оценка плотности и размеров рыбы.
• Картографирование дна для выбора мест лова.

Научные исследования

• Картографирование морского дна (батиметрия).
• Изучение геологического строения дна (профилографы).
• Исследование подводных экосистем, планктона, морских млекопитающих.
• Поиск подводных археологических объектов (затонувших городов, кораблей).

Промышленность и инженерия

• Обследование подводных трубопроводов, кабелей, опор мостов и платформ.
• Контроль состояния подводных сооружений.
• Поиск утечек газа и нефти.

Интересные факты

• Скорость звука в воде примерно в 4,5 раза больше, чем в воздухе, что позволяет гидролокаторам работать на большие расстояния, но затрудняет точное определение дистанции при изменении температуры и солёности.
• Некоторые морские животные (дельфины, киты, кашалоты) используют биологическую эхолокацию, аналогичную принципу работы гидролокатора, для охоты и навигации.
• Самый мощный в мире гидролокатор — российская гидроакустическая станция «Афалина», устанавливаемая на подводных лодках проектов 955 «Борей» и 885 «Ясень». Её дальность обнаружения целей оценивается в 100–200 км.
• Гидролокаторы бокового обзора позволяют получать изображения дна с разрешением до нескольких сантиметров, что используется для поиска «Титаника» и других глубоководных объектов.

Источники

• Урик Р. Дж. «Основы гидроакустики» (Principles of Underwater Sound), 1983.
• Корякин Ю. А., Смирнов С. А., Яковлев Г. В. «Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы», 2004.
• ГОСТ 22547-81 «Гидролокаторы. Термины и определения».
• Материалы Центрального научно-исследовательского института «Морфизприбор» (Санкт-Петербург).
• Данные открытых публикаций о гидроакустических станциях ВМФ России.