Новые технологии для зарубежных гидроакустических систем миноискания и навигации надводных кораблей компании ELAC Nautik (2019)
В. Спиридонов,
кандидат технических наук
Зарубежные компании интенсивно трудятся над созданием нового поколения гидроакустических станций (ГАС) миноискания и навигации двойного назначения. Первоначально был разработан излучатель для глубоководных ГАС гражданского назначения.
Однако он спроектирован так, что его модификации могут использоваться и на боевых кораблях.
Новый излучатель, созданный германской компанией "Элак наутик" (ELAC Nautik), может эффективно управлять несколькими сотнями независимых излучающих каналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и высоким временным разрешением, реализованным на базе последних достижений в области программируемых вентильных матриц.
Он обеспечивает временную задержку при формировании луча, частотную модуляцию импульса и их различные формы. Для сканирования и освещения широких пространственных секторов каждый импульс может включать несколько последовательных временных сегментов с индивидуальными передаточными параметрами.
"Элак наутик" является одним из лидеров в области создания гидроакустических средств. Ее продукция широко известна на международном рынке под брендом SeaBeam. Она включает системы, работающие как в прибрежных, так и в глубоководных морских зонах. С целью замены морально устаревших фирма разработала излучатель для многолучевых ГАС типа SeaBeam 3012 и 3020, работающих на частотах 12 и 20 кГц и способных управлять более чем 600 независимыми излучающими каналами.
Применяемые новые технологии приемлемы как для действующих многолучевых глубоководных систем, так и для последующих поколений различных типов активных гидроакустических станций, в том числе военного назначения (ГАС миноискания, навигации и обнаружения подводных лодок).
Разработка излучателя ГАС проводилась со второй половины 2014 года по конец 2016-го.
Основные требования к перспективной системе. Новый излучатель многолучевой гидроакустической станции разработан с учетом соответствия различным требованиям, в том числе и военных, наиболее важные из которых представлены ниже.
Применяемость. Излучатель ГАС должен быть совместим с предшествующими поколениями гидроакустических излучателей компании ELAC SeaBeam и применим на кораблях ВМС.
Расходы и заводская себестоимость. Изделие должно быть конкурентоспособным и уменьшить расходы ВМС.
Конечная цель - стоимость излучающей сборки должна быть на 30% ниже, чем у изделия предыдущего поколения.
Рабочие частоты. В глубокой воде активная корабельная ГАС должна работать в диапазоне частот от 2,5 до 30 кГц с высоким разрешением.
Длительность импульсов и интервал между ними. Излучатель ГАС должен обеспечивать следующую длительность импульсов:
- минимальная пространственная протяженность импульса должна быть ниже или равна 1 мс;
- максимальная протяженность импульса должна достигать 400 мс при максимальном напряжении 300 В постоянного тока;
- при напряжении 50 В излучатель должен обеспечивать произвольные протяженности импульса.
Минимальное время между импульсами, которое требуется для восстановления каскадов усилителей мощности, должно быть меньше числа 15, умноженного на число, соответствующее протяженности импульса. Чем меньше время между импульсами, тем быстрее временной цикл излучения. Если коэффициент, определяющий временной интервал, равен 15, а длительность импульса 100 мс, то, соответственно, требуемая пауза между ними составит 1,5 с.
Частотная модуляция импульсов. ГАС должна излучать не только импульсы с незатухающими колебаниями (тональные), но и частотно-модулированные, которые обеспечивают лучшее разрешение по дальности и качеству данных при увеличении их длительности. Для этого необходимо было применить импульсную корреляцию при приеме, ведущую к сжатию его в зависимости от ширины полосы частот.
Формы импульсов. Различные формы импульсов, которые предопределены временной зависимостью и аналогичны форме Хэмминга (Hamming shape) или другим формам, должны применяться излучателем ГАС. Они значительно уменьшают спектральные боковые лепестки.
Затенение излучающей решетки. Для уменьшения пространственных боковых лепестков лучей необходимо было осуществить соответствующее затенение (уменьшение распределения амплитуды к краям антенной решетки для подавления боковых лепестков) по двум координатам излучающей антенной решетки. В результате этого стал возможен подбор для каждого излучающего канала индивидуальной величины затенения.
 |
| Пример импульса формы Хэмминга |
 |
| Пример линейной частотной модуляции |
 |
| Двухразмерное затенение излучающей решетки |
 |
| Формирование статического луча |
 |
| Использование метода секторного сканировани |
 |
| Использование метода развертывания луча |
 |
| Разница фаз двух соседних излучающих каналов на временном отрезке |
 |
| Изменение направления фронта акустической волны на временном отрезке излучения |
 |
| Сдвоенный многоимпульсный режим многолучевой системы ГАС |
 |
| Планарная двухмерная антенная решетка |
На на рисунке справа показано затенение по двум осям излучающей решетки с 12 колонками и 50 рядами.
Красным цветом отмечены излучающие каналы с высокой сигнальной амплитудой, а зеленым - с низкой (на рисунке отображена реализация метода затенения Чебышева для вертикального направления, ведущего к высокой сигнальной амплитуде у верха и низа решетки).
Число излучающих каналов. Для увеличения числа независимых излучающих каналов (НИК) сборка излучающего блока должна масштабироваться, то есть увеличиваться до 600. Но для активации максимального числа НИК необходимо обеспечить временную синхронизацию нескольких излучающих сборок.
Максимальная мощность импульса. Разработанному излучателю ГАС требовалось обеспечить максимальную мощность импульса на каждом канале около 200 Вт. Однако в случае применения двухкоординатного затенения эффективная максимальная мощность импульса всех каналов будет равна четверти от рассчитанной. Таким образом, полная максимальная мощность импульса для 600 каналов будет составлять 30 000 Вт.
Формирование луча. Специалистам удалось реализовать требование по временной фазовой задержке при формировании лучей и их динамической фокусировке.
Методы излучения. Излучатель ГАС должен обеспечить работу трех независимых реконфигурируемых методов излучения, которые могут использоваться в многолучевых системах при навигации, обнаружении объектов и подводных лодок:
- статического луча;
- секторного сканирования;
- развертывания луча.
Метода статического луча обеспечивает широкий захват какого-либо сектора с помощью соответствующих коэффициентов для расширения спектра луча. При этом пространственная протяженность импульса равна длительности одной посылки.
Метод секторного сканирования обеспечивает подсветку всей захватываемой площади с помощью нескольких последовательных секторов - S1… Sn, которые являются подсветкой, осуществляемой последовательно, одна за другой, в рамках одного импульса. Метод дает возможность учитывать бортовую и килевую качку, рыскание корабля, а также стабилизировать лучи.
Запатентованный метод развертывания луча позволяет непрерывно перемещать его в пространстве. Он полностью стабилизирует лучи корабля, испытывающего бортовую и килевую качку, рыскание, а также обеспечивает подсветку, исключающую паразитные эффекты.
В ходе сканирования пространства осмотр осуществляется не только с борта на борт, но и по курсу движения корабля, что требует устранения влияния килевой качки и рыскания.
Реализация такого механизма основывается на том, что излучающие каналы управляются синусоидальными сигналами на разных частотах.
Из-за разницы частот электрическая фаза излучающих каналов меняется линейно на временном отрезке. Разница фаз между каналами m и m+1 положительна в начале излучения и отрицательна в конце данного цикла. В результате угол направления сканирования луча ά излученного импульса все указанное время плавно меняется.
Для того чтобы адаптировать перемещающийся луч к динамике движения корабля, частота всех излучающих каналов подвергается корректировке 12 раз. Вместе с тем на этом временном отрезке сохраняется постоянство фаз.
Получение нескольких отображений поверхности дна за один цикл излучений.
Излучатель ГАС должен обеспечить подсветку нескольких пространственно смещенных и частотно разделенных плоскостей поверхности дна в рамках одного цикла излучения.
Это позволяет рассмотреть объект в рамках разных плоскостных проекций. Например, для ГАС переднего обзора в первую очередь необходимо подсвечивать несколько фрагментов дна по курсу движения.
Для многолучевых систем эта способность называется многоимпульсным режимом, который обеспечивает одновременный обзор большего пространства.
Функциональные возможности системы встроенного контроля (BITE - BuiltIn Test Equipment). Данная система, входящая в состав излучателя ГАС, должна:
- в начале работы проверять всю аппаратную конфигурацию, систему питания и напряжение в сети;
- в режиме онлайн, то есть в ходе реальной работы, обеспечивать контроль подаваемого напряжения, температуры и тока в процессе излучения;
- в режиме отключения излучения (тестирования) проверять функциональность излучателя.
Наиболее значимые проектные решения. Вышеперечисленные требования реализованы в излучателе ГАС путем внедрения ряда важных проектных решений.
Широтно-импульсная модуляция (PWM - Pulse Width Modulation). Для получения высокого КПД ГАС генерирует импульсы с использованием широтно-импульсной модуляции. В период времени, когда амплитуда PWM-сигнала постоянна и зависит от излучающего напряжения, ширина импульса модифицирована таким образом, что меняется амплитуда сигнала на частоте основной гармоники.
Частота сигнала и амплитудное разрешение. Для получения высокого разрешения по углу места при управлении лучом, частотами сигнала и его амплитудами тактовая частота для генерации PWM-сигнала увеличена до 50 МГц.
Такая тактовая частота способствует высокой скорости передачи данных при его генерации. Для всех 600 излучающих каналов скорость передачи данных равна 7,6 ГБ/с. Разрешение по амплитуде составляет 7 бит и приводит к 128 амплитудным значениям, которые могут быть реализованы через PWM-сигналы.
Генерация импульса. Из-за высокой скорости передачи широтно-импульсных модуляций PWM-сигналы генерируются отдельными платами за счет децентрализованного управления. Каждый отдельный излучающий канал генерирует PWM-сигнал, который базируется на следующих параметрах:
- время задержки до начала импульса относительно общего триггерного сигнала (запускающего);
- длина импульса;
- излучаемая частота в начале и в конце импульса;
- начальная фаза;
- амплитуда импульса.
Параметры сигнала рассчитываются в зависимости от используемого метода формирования луча.
Базисная аппаратная архитектура. Аппаратная сборка излучателя представляет собой 19-дюймовую сборку, состоящую из одной платы Тх центрального контроллера и нескольких излучающих плат.
Плата Тх включает: современную систему на микросхеме (System on Chip - SoC) компании Xilinx, в сочетании с используемым ARM-процессором (32-битовый компании Advanced RISC Machines) для программного обеспечения, управляющего излучением и FPGA (определенное число программируемых вентильных матриц) для связи с излучающими платами, работающими в масштабе реального времени.
ARM-процессоры широко используются в планшетах и смартфонах.
Тх-контроллер рассчитывает сигнальные параметры для всех излучающих каналов, основываясь на информации, получаемой от контроллера ГАС. Они передаются к излучающим платам через низковольтную дифференциальную систему передачи сигналов (LVDS - Low-Voltage Differential Signaling). Кроме того, Тх-контроллер выдает триггерный сигнал для начала импульса и синхронизирующий сигнал для времени ШИМ при работе излучающих плат. Каждая из них включает в себя программируемую вентильную матрицу, генерирующую управляющие сигналы для каскадов усилителей мощности 32 индивидуальных излучающих каналов.
Излучающие решетки. В настоящее время антенна гидроакустической станции, как правило, формируется в виде планарной решетки с матричной структурой, состоящей из N-колонок и М-рядов. В ближайшей перспективе излучатель ГАС будет обеспечивать работу не только линейных и плоских антенн, но и цилиндрических. Это потребует лишь адаптации программного обеспечения (ПО) Тх-контроллера.
Технология затенения излучающей решетки. Существуют два способа ее амплитудного затенения:
- путем индивидуальной широтно-импульсной модуляции каждого излучающего канала;
- путем индивидуальных регулируемых излучающих напряжений для каждого излучающего канала.
Из-за большого числа излучающих каналов стоимость аппаратной части, обеспечивающей индивидуальные излучающие напряжения, будет весьма велика. Поэтому амплитудное затенение осуществляется через ШИМ.
Консекутивные (следующие друг за другом) сегменты в импульсе. Для обеспечения перечисленных методов излучения и получения подсветки нескольких плоскостей (поверхностей дна) за один цикл излучения каждый импульс подразделен на определенное число последовательных временных сегментов, каждый из которых имеет различные значения сигнальных параметров, то есть рабочую частоту, время задержки и длительность импульса.
В процессе работы одного временного сегмента Тх-контроллер рассчитывает значения сигнальных параметров следующего сегмента для всех излучающих каналов и передает их на все излучающие платы.
В конце временного сегмента все излучающие платы моментально переключаются на новые значения сигнальных параметров и начинают работать в следующем сегменте, базируясь на новых сигнальных параметрах. Эта процедура повторяется для всех последующих временных сегментов до конца импульса.
Внедрение новых разработок на кораблях. При создании многолучевых излучателей для кораблей компания "Элак наутик" должна использовать следующие технологии:
- устройство сопряжения для каскадов усилителей мощности;
- алгоритм для генерации импульса путем использования широтно-импульсной модуляции;
- затенение решетки за счет использования ШИМ;
- последовательное разделение импульса на несколько последовательных сегментов с различными значениями сигнальных параметров;
- систему связи между Тх-контроллером и платами излучателей.
Отличие аппаратных плат для военных излучателей. Специфичность требований диктует использование различных типов аппаратных плат с более высокими характеристиками в сравнении с обычными многолучевыми системами, а именно:
- излучающие платы с более высоким уровнем излучаемой мощности в импульсе на канал и, если это необходимо, с меньшим числом излучающих каналов на одну плату;
- платы с большим температурным диапазоном и улучшенными вибро/противоударными характеристиками;
- платы или излучающие сборки с модифицируемым механическим формфактором.
Кроме того, при необходимости излучающие платы должны встраиваться в антенную решетку.
МАТLAB-моделирование. Весь алгоритм для генерации PWM-сигналов был создан заранее с помощью пакета прикладных программ (MATLAB).
С его использованием сформирована модель тестовой последовательности для сценариев с различными сигнальными параметрами и сопоставлена с результатами, полученными с помощью излучающих плат.
Автономная система тестирования излучателей ГАС может измерять и хранить исходные цифровые управляющие PWM-сигналы всех излучающих каналов и сравнивать их в автоматическом режиме с последовательным рядом файлов заданных сигналов, созданных путем MATLAB-моделирования. Такой подход обеспечивает новое качество автономного тестирования.
Перенос программного обеспечения. ПО, управляющее излучением предшествующего многолучевого излучателя, было реализовано на PowerPC - платформе (на процессоре PowerPC). Его необходимо было перенести на новый 32-битный процессор ARM. Эта задача, включающая разработку драйвера для FPGA-интерфейсов, была достаточно трудоемкой и потребовала намного больше времени, чем предполагалось вначале.
Новый излучатель ГАС планируется использовать не только в многолучевых глубоководных гражданских системах нового поколения типа SeaBeam 3012/3020, но и в корабельных излучателях противоминных гидроакустических станций, а также ГАС обнаружения подводных лодок следующего поколения, производимых компанией "Элак наутик".
Такие излучатели сбалансированы относительно технических характеристик, стоимости и широких функциональных возможностей, что важно не только для коммерческих систем, но и для боевых кораблей.