Бистатический гидролокатор

Бистатический гидролокатор — гидролокатор, приёмник(и) и передатчик(и) которого разнесены в пространстве на расстояния, сравнимые с расстоянием до цели.

Сравнение бистатического и моностатического гидролокаторов

Потери распространения

В процессе распространения звука в среде, амплитуда звуковых колебаний уменьшается. Существуют три основных механизма потерь: сферическое (или цилиндрическое в мелкой воде) расхождение, поглощение и рассеяние звука неоднородностями среды. Потери распространения TL (англ. Transmission loss) зависит от расстояния и частоты звука. В моностатическом гидролокаторе звук вначале проходит путь от излучателя до цели, а затем обратно – от цели к приёмнику. Считая, что потери в одном направлении равны TL (в децибелах), полные потери звука составят 2·TL. В бистатическом гидролокаторе потери являются суммой потерь на пути от излучателя до цели TL_PT и потерь на пути от цели к приёмнику TL_TR.

Мёртвая зона

Мёртвая зона бистатического гидролокатора

В моностатическом гидролокаторе сигнал излучателя, попадая в приёмник, маскирует отражённые от цели сигналы. Если длительность сигнала передатчика составляет τ, то моностатический гидролокатор не способен обнаруживать цели в радиусе менее сτ/2, где с — скорость распространения звука. Эта круговая область прострнства называется «мёртвой зоной». Если гидролокатор находится в мелкой воде, радиус мёртвой зоны может быть больше, так как сильные отражённые сигналы могут созавать волны на поверхности воды и неоднородности дна.

В бистатическом гидролокаторе приёмник находится на расстоянии R_PR от излучателя, поэтому в течении времени t = R_PR/c после зондирующего импульса сигнал вообще не поступает на приёмник. В момент времени t приёмник принимает «прямой сигнал» (англ. direct blast), который продолжается в течение времени сτ. Таким образом, бистатический гидролокатор не способен различать цели внутри эллипса, границы которого соответствуют расстоянию R = R_PR + cτ, а фокусами являются излучатель и приёмник. Отражения сигнала от близких к излучателю неоднородностей не влияют на мёртвую зону.

Диаграмма направленности отражения

Диаграмма направленности отражения

Объекты никогда не отражают звук строго однонаправленно. Механизм отражения звука достаточно сложен, потому что отражающий объект в общем случае нельзя представить абсолютно жёсткой сферой. Амплитуда отражённого звука зависит от угла β (по отношению к локальной системе координат объекта), под которым объект облучается излучателем, и угла α, под которым отражённый звук идёт к приёмнику. Зависимость S(α, β) силы отражённого звука от этих углов называется диаграммой направленности отражения.

Направление максимального отражения зависит от формы объекта и его внутренней структуры. Поэтому не всегда угол оптимального облучения и угол максимального отражения совпадают. Ещё более сложной становится картина отражения, когда цель частично углублена в донные отложения (это характерно, например, для мин, утопленных контейнеров с отходами, затонувших кораблей и т.д.). В этом случае отражение зависит не только от свойств объекта, но и от взаимодействия волн с морским дном. Поэтому очень часто эффективны бистатические решения, когда цель облучается под различными углами, либо отражённый сигнал приниматеся с различных направлений.

Типы бистатических гидролокаторов

Гидролокаторы прямого и обратного рассеяния

В моностатических гидролокаторах направление принимаемого отражённого сигнала строго противоположно направлению прадающего сигнала облучателя. В бистатических гидролокаторах угол φ между этими направлениями (т.н. «бистатический угол») может меняться от 0° до 180°. Отражение при φ < 90º называется обратным рассеянием, при φ > 90º — прямым рассеянием. Прямое рассеяние основано на принципе Бабине англ. Babinet's principle.

Моностатический гидролокатор

Бистатический гидролокатор с обратным рассеянием

Бистатический гидролокатор с прямым рассеянием

Псевдомоностатический гидролокатор

Псевдомоностатическим называется гидролокатор малым бистатическим углом. Другими словами, расстояние от излучателя до цели R_PT и от цели до приёмника R_TR значительно меньше, чем расстояние от излучателя до приёмника R_PR.

Мультистатический гидролокатор

Мультистатическим называется гидролокатор, у которого несколько излучателей и/или приёмников.

Применение бистатических и мультистатических гидролокаторов

Дальнее наблюдение

Часто используют большие приёмные массивы гидрофонов, расположенных на прибрежном мелководье и соединённых кабелями с единым центром обработки информации. Чтобы обеспечить дальнее обнаружение целей, необходим мощный излучатель корабельного базирования. Чтобы снизить потери сигнала, излучатель должен находится как можно ближе к району, представляющему интерес.

Дальнее наблюдение

Сеть приёмников с одним излучателем

Обнаружение захороненных объектов

Сеть приёмников с одним излучателем

Район, представляющий интерес, обеспечиватеся большим количеством приёмников и одним мощным источником облучения. Приёмниками могут быть либо гидроакустические буи с передачей данных по радиоканалу, либо необитаемые подводные аппараты с акустической передачей данных. Например, проект GOATS используем в качестве приёмных узлов необитаемые подводные аппараты. Схожим образом устроена американская система LAMPS, где гидроакустические буи, сброшенные с вертолёта, передают данные на базовый корабль через ретранслятор, расположенный на вертолёте.

Низкочастотный буксируемый гидролокатор

Низкочастотный буксируемый гидролокатор

Чем ниже частота сигнала, тем меньше потери, вызванные поглощением и рассеянием на неоднородностях среды. С другой стороны, чем ниже частота, тем больше должен быть размер направленного излучателя и приёмного массива. Поскольку типичные размеры излучателей и приёмников исключают их размещение на одном корабле, такие гидролокаторы выполняются в виде массивов излучателей и приёмников, расположенных на длинном тросе, буксируемом вслед за кораблём. Примером может служить буксируемый гидролокатор LFATS.

Обнаружение захороненных объектов

Чтобы обнаружить захороненные объекты, излучаемый акустический сигнал должен проникать вглубь грунта. Это требует мощного и высоконаправленного излучателя. Этот излучатель должен размещаться в точке с наилучшими условиями отражения от объекта и окружающей поверхности дна. Наилучшим образом эта задача решается при помощи бистатического гидролокатора. Примером применения бистатического локатора в этой области служит проект SITAR, направленный на поиск затонувших мин и контейнеров с токсическими отходами.

Преимущества и недостатки бистатических гидролокаторов

К преимуществам бистатических гидролокаторов следует отнести:

• Возможность надёжной маскировки приёмника;
• Снижение эффективности электронного противодействия, так как характеристики и положение приёмника неизвестны.
• Возможность увеличения эффективной поверхности отражения цели благодаря геометрическим эффектам.
• Меньшая стоимость приобретения и технического обcлуживания (при использовании излучателя, принадлежащего сторонней организации);
• Отсутствие необходимости в лицензии на частотный диапазон (при использовании излучателя, принадлежащего сторонней организации);

К недостаткам бистатических гидролокаторов следует отнести:

• Сложность системы;
• Необходимость в специальных элементов передачи данных между элементами гидролокатора;
• Сложность развёртывания;
• Ограничения, связанные с необходимостью располагать приёмники в точках прямой видимости относительно источников.
• Отсутствие контроля за излучателем (при использовании излучателя, принадлежащего сторонней организации);

См. также

• Гидролокатор
• Эхолокация
• Гидроакустика
• Радар

Ссылки

• N. K. Naluai et al. Bistatic applications of intensity processing. Journal of Acoustic Society of America, 2007, 121 (4), pp. 1909-1915
• J. R. Edwards, H. Schmidt and K. LePage Bistatic synthetic aperture target detection and imaging with an AUV, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): pp. 690-699.
• I. Lucifredi and H. Schmidt Subcritical scattering from buried elastic shells. Journal of Acoustic Society of America, 2006, 120 (6), pp. 3566-3583, 2006.
• CAPTAS Nano. A new sonar for ASW in the littorals.
• Joris Janssen Lok Precision Array. New ASW System Lets Small Ships Target Stealth Subs. Defence Technology International, July 2007, p. 22.
• Thales Underwater Systems - Sonar Systems.
• J.I. Bowen and R.W. Mitnick. A Multistatic Performance Prediction Methodology. John Hopkins APL Technical Digest, 1999, v.2, No 3, pp. 424-431
• Физическая энциклопедия. // Гл. ред. Прохоров А. М. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 468, 469 — 704 с., ил. — 100 000 экз.