Гидроакустические станции миноискания ВМС Франции ч1 (2018)

В. Спиридонов,
кандидат технических наук;
подполковник А. Белкин

Морские мины представляют серьезную опасность для надводных кораблей (НК) и подводных лодок (ПЛ). Их поиск - сложная техническая задача. Ведущая роль в этом процессе принадлежит активным гидроакустическим средствам. Современные гидроакустические станции (ГАС) миноискания обеспечивают относительно большие дальности обнаружения, однако одним из существенных недостатков данных систем является недостаточная разрешающая способность, что ограничивает их классификационные возможности и не позволяет в полной мере использовать методы автоматического распознавания. Увеличение разрешающей способности может быть достигнуто за счет новых принципов построения ГАС и алгоритмов обработки принимаемых сигналов.

Основные показатели минопоисковой системы - производительность и надежность поиска мин в заданном районе. В ходе этого процесса, как правило, решаются задачи обнаружения, классификации и опознавания. Первые две могут быть выполнены только при помощи ГАС.

Для образцов морских мин, использовавшихся в период до 1980-х годов, были характерны относительно высокие значения силы цели. Наибольшая часть ложных сигналов (сигналов от объектов, не являющихся минами) отсеивалась на этапе обнаружения, и поэтому производительность, а также надежность поиска определялись главным образом временем и надежностью решения задачи обнаружения.

Рис. 1. Эхо-сигнал и тень на гидролокационном изображении

Рис. 2. Типовые характеристики ГАС миноискания TSM 2022 Mk3 в режимах обнаружения и классификации мин

В результате совершенствования морского минного оружия его акустическая заметность резко снизилась. Исследования ряда зарубежных специалистов показывают, что за счет разного рода конструктивных решений (особая форма корпуса, его материал, покрытие корпуса) сила цели ряда современных образцов снизилась по сравнению с минами периода Второй мировой войны на 40 дБ. С учетом данной тенденции в ряде государств НАТО проведена модернизация гидроакустических станций миноискания, что позволило обнаруживать малозаметные мины на сравнительно больших дальностях. Однако вместе с этим возросло количество ложных тревог, поскольку вместе с минами в большом количестве начали обнаруживаться всевозможные малые объекты, имеющие сопоставимую силу цели. Наиболее проблемным при этом является поиск донных (в том числе замытых в грунт) и придонных мин на мелководье. В связи с необходимостью обеспечить требуемую надежность и производительность их поиска большое внимание уделяется повышению возможностей классификации по ГАС. При этом основной метод основан на анализе гидролокационных изображений, содержащих эхо-сигналы и тени, формируемые объектами (рис. 1).

Результат классификации, как правило, неоднозначен, то есть она не дает абсолютной уверенности в том, что объект, классифицированный как "миноподобный", в действительности является миной. За рубежом развивается несколько направлений, позволяющих повысить надежность этого процесса.

Надежность классификации объектов во многом зависит от детальности их гидролокационного изображения, которая, в свою очередь, определяется величиной разрешающей способности. При низкой - объекты будут выглядеть как точечные цели и их классификация по изображениям будет затруднена или невозможна.

Поэтому первое направление - увеличение разрешающей способности ГАС по дальности и угловой координате. Зарубежные специалисты считают, что удовлетворительная классификация объектов может быть обеспечена при разрешающей способности 5 см и менее.

Необходимое разрешение по дальности достигается благодаря применению широкополосных зондирующих сигналов. Основная сложность заключается в получении высокой линейной разрешающей способности по угловой координате. Она может быть улучшена за счет увеличения частоты работы ГАС (при заданных размерах антенны и дальности), либо физических размеров антенны (при заданной частоте и дальности), либо уменьшения дальности действия ГАС (при заданных размерах антенны и частоте).

Рис. 3. НПА "Дабл Игл" Мк 2 с ГАС TSM 2022 Мк 3 (слева). Возможности по обнаружению и классификации мин системы PVDS (справа)

Рис. 4. Фрагменты изображений донных объектов, полученных при боковом обзоре (снизу) и боковом обзоре с синтезированной апертурой (сверху)

Наиболее перспективным методом получения высокого разрешения по маршрутной дальности при боковом обзоре является синтезирование апертуры (СА) антенны (SAS - Synthetic Aperture Sonar). Этот метод основан на синфазном сложении нескольких отраженных гидролокационных сигналов.

Отношение эффективной длины синтезированной антенны к длине реальной характеризует выигрыш в разрешающей способности по маршрутной дальности, получаемый от использования данного метода обработки. В гидроакустических станциях бокового обзора с синтезированной апертурой (ГБО СА) он составляет порядка 10-100.

По мнению зарубежных специалистов, надежность классификации может быть повышена за счет использования в процессе классификации совокупности независимых изображений (второе направление), полученных при обзоре с различных точек наблюдения. Отмечается, что в большинстве случаев для успешной классификации достаточно трех изображений, полученных при обзоре с интервалом 30-45° по курсовому углу при прямолинейном движении носителя.

Противоминному кораблю для сбора дополнительной информации об объекте и его классификации необходимо сблизиться с объектом на расстояние, соответствующее дальности действия ГАС классификации, и совершить вокруг него циркуляцию. В ряде зарубежных стран разработаны и приняты на вооружение модели ГБО с так называемым многоаспектным (multiaspect) режимом обзора, которые обеспечивают возможность одновременного обзора пространства по трем курсовым углам (с каждого борта носителя ГАС).

Такие ГБО позволяют за один проход по прямой формировать три изображения донной поверхности, находящейся в полосе их обзора. Многоаспектный обзор способствует повышению надежности классификации и производительности поиска. Трудно также переоценить его значение в условиях ограниченных возможностей носителя ГАС по изменению курса и маневрированию (например, при обследовании узких каналов).

Третьим направлением является применение в ГБО интерферометрической обработки. Эти станции позволяют получать информацию о глубинах в широкой полосе обзора и одновременно акустические изображения донной поверхности, в частности, определять величину отстояния от дна для объекта, удерживаемого якорем. Получаемые батиметрические данные характеризуются высокой точностью, что обеспечивает более надежную классификацию объектов в условиях, когда поверхность дна не является плоской.

На вооружении тральщиков - искателей мин типа "Эридан" ВМС Франции состоит ГАС миноискания TSM 2022 Мк 3, антенная система которой реализует метод СА антенны. Станция выполнена в двух вариантах: с подкильной антенной и антенной, размещенной на необитаемом подводном аппарате (НПА, такой вариант размещения ГАС за рубежом получил название Propelled Variable Depth Sonar - PVDS). Обе станции могут одновременно функционировать, не создавая друг другу помех, обеспечивая поиск якорных и донных мин по всей глубине. ГАС TSM 2022 Мк 3 разрабатывалась на основе модификаций Mk 1 и Мк2.

ГАС TSM 2022 Мк 3 с подкильной антенной заменила DUBM-21D (TSM 2021). Станция работает на трех частотах в шести режимах. Максимальная дальность обнаружения мин составляет 1 200 м, дальность классификации - до 900 м на низкой частоте и до 300 м - на высокой. Основные режимы обнаружения и классификации мин представлены на рис. 2:
- обнаружение мин на большой дальности при работе на низкой частоте (шкалы дальностей 600, 800 и 1 200 м). Одновременный обзор сектора 90° в горизонтальной плоскости и 3,2/6,4/12,8° (по выбору оператора в зависимости от глубины, условий и типа мин) - в вертикальной;
- классификация мин на большой дальности при работе на низкой частоте (шкалы дальностей 600 и 900 м);
- обнаружение мин на высокой частоте с высокой разрешающей способностью по дальности (шкалы дальностей 400, 600 и 800 м). Обзор сектора 60 х 9°. Ши-
рина полосы зондирующего ЧМ-сигнала 48 кГц;
- классификация мин при работе на очень высокой частоте (шкалы дальностей 200 и 300 м). Определение формы объекта на основе анализа его акустической тени, оценка размеров объекта с помощью ЭВМ. Рабочий сектор 12 х 755°.
В составе системы PVDS антенна ГАС миноискания TSM 2022 Мк 3 установлена на НПА "Дабл Игл" Мк 2 (рис. 3). Этот аппарат управляется и получает питание по кабелю, действует на расстоянии до 500 м и на глубине до 300 м. В отличие от корпусной эта ГАС имеет примерно вдвое меньшую антенную решетку и не работает на низкой частоте (работа на подобной частоте предусмотрена в случае установки этой станции на НПА "Дабл Ига" Мк 3). Размещение ГАС на необитаемом подводном аппарате повышает безопасность корабля и ускоряет поиск мин.

Рис. 5. Изображения мин "Манта" и "Рокан", полученные в режимах бокового обзора (вверху) и бокового обзора с синтезированием апертуры антенны ГАС (внизу)

Рис. 6. Трехмерные изображения мин "Манта" и "Рокан", восстановленные в результате акустической реконструкции

Рис. 7. Буксируемое устройство DUВМ-44 с ГАC бокового обзора с синтезированием апертуры антенны

Рис. 8. Сравнительные характеристики ГAC DUВM-41 и DUBM-44

При повороте антенны обе ГАС могут работать в режиме бокового обзора с обработкой сигналов, используя метод синтезирования апертуры. На рис. 4 представлены фрагменты изображений участка донной поверхности, демонстрирующие возможности ГАС TSM 2022 Мк 3 с подкильной антенной в режимах бокового обзора без СА (нижняя часть рисунка) и с обработкой по методу СА (верхняя его часть). Изображения получены на дальности 150-200 м от антенны. Ширина участка донной поверхности составляет okcjjio 40 м. В режиме бокового обзора с обработкой по методу синтезирования апертуры (БО СА) разрешающая способность вдоль линии движения возросла и составила около 5 см. Ее улучшение дало возможность повысить степень детализации изображения, что позволяет отличать мины "Манта" (Manta) и "Рокан" (Rockan) по структуре эхо-сигналов от корпуса, а сферу (Sphere) и камень (Rock) по наличию на гидроакустической тени камня характерных выступов.

Размещение антенны и аппаратуры ГАС миноискания на НПА, а также обработка сигналов с использованием метода СА для получения гидролокационных изображений высокого качества позволяют воссоздать форму объекта в трехмерном пространстве. Необитаемый подводный аппарат обладает высокими маневренными возможностями, поэтому специального маневрирования противоминного корабля не требуется. Аппарат может самостоятельно сблизиться с объектом на заданное расстояние, обойти его (в горизонтальной плоскости в секторе 180° относительно объекта) и получить синтезированные изображения этого объекта с нескольких точек. Использование метода сегментации позволяет выделить на полученных изображениях тени, создаваемые объектом. В ходе последующей совместной обработки восстанавливается трехмерное изображение объекта.

Подобный дополнительный режим работы существенно повышает надежность классификации донных объектов. Получаемый после обработки трехмерный объект представляется оператору-гидроакустику как реальный, с которым можно проводить разного рода манипуляции, например вращать и измерять размеры. Объект как единое целое легче воспринимается оператором, чем совокупность отдельных изображений.

На рис. 5 и 6 показаны изображения, полученные в ходе эксперимента по акустической трехмерной реконструкции донных мин. Расстояние между минами и НПА составляло около 70 м. В верхней части рис. 5 показаны изображения мин "Манта" и "Рокан", полученные в режиме БО. Изображения этих же объектов, полученные в результате обработки с использованием метода СА, представлены в нижней части этого же рисунка.

На рис. 6 показаны восстановленные в результате обработки трехмерные изображения мин. Цветовая кодировка характеризует степень достоверности положения точек объекта после реконструкции. Мины на этих изображениях отличить значительно проще, и это может сделать даже оператор с невысокой квалификацией.

Для обеспечения противоминной обороны ВМБ Брест ВМС Франции необходимо иметь подробную информацию о состоянии подводной обстановки на ее подходах, а также возможность ведения систематического наблюдения за акваторией с целью выявления вновь появившихся донных объектов. Важный элемент в системе противоминной обороны этой базы - противоминные корабли (ПМК) типа "Антарес". Они задействуются для профилактического обследования акваторий и фарватеров.

В 2008-2009 годах на вооружение этих кораблей поступили буксируемые ГБО СА DUBM-44 (Towed Synthetic Aperture Sonar - T-SAS). Эта станция представляет собой модернизированный вариант ГАС бокового обзора TSM 2054. На ПМК типа "Антарес" ГБО СА DUBM-44 заменили устаревшие DUBM-41. На рис. 7 показано буксируемое устройство DUBM-44 с антеннами ГБО СА, которое создавалось для обследования подходов к ВМБ Брест и прилегающей к ней акватории в целях обнаружения малозаметных мин в характерных для этих районов окружающих условиях.

На рис. 8 представлены сравнительные характеристики ГАС DUBM-41 и DUBM-44.

ГАС может поставляться заказчику в одной из трех конфигураций:
- ГБО с реальной антенной. ГАС бокового обзора традиционной конфигурации с обзором по траверзу. Разрешающая способность по маршрутной дальности пропорциональна размерам решетки и дистанции до объекта.
- ГБО с синтезированной апертурой. ГАС, освещающая дно по траверзу. Разрешающая способность по маршрутной дальности равна 5 см.
- ГБО с многоаспектным режимом обзора. Обзор в траверзном направлении и в направлениях ±30° относительно траверзного с каждой борта носителя ГБО. Обработка сигналов по методу СА не используется.

Морские испытания ГАС DUBM-44 были проведены на ПМК "Альтаир" в различных гидрологических и погодных условиях в районах с разным типом и структурой дна, а также на разных глубинах.

(Окончание следует)

Зарубежное военное обозрение. 2018, №3 С. 73-78