Гидролокатор - гидролокационная станция, гидроакустическая станция (прибор) для определения положения подводных объектов при помощи звуковых сигналов, излучаемых самими объектами (пассивная локация) или возникающих в результате отражения от подводных объектов искусственно создаваемых звуковых сигналов (активная локация).

Принцип работы гидролокатора заключается в том что: импульс электрического напряжения, выработанный генератором, через переключатель «приём — передача» подаётся к электроакустическим преобразователям (вибраторам), излучающим в воду акустический импульс длительностью 10—100мсек в определенном телесном угле или во всех направлениях; по окончании излучения вибраторы подключаются к гетеродинному усилителю для приёма и усиления отражённых от объектов импульсных акустических сигналов; затем сигналы поступают на индикаторные приборы: рекордер, электродинамический громкоговоритель, телефоны, электроннолучевую трубку; на рекордере измеряется и регистрируется электрохимическим способом на ленте расстояние (дистанция) до объекта; с помощью телефонов и электродинамического громкоговорителя принятые сигналы прослушиваются на звуковой частоте и классифицируются, по максимуму звучания определяется пеленг; на электроннолучевой трубке высвечивается сигнал от объекта и измеряется дистанция до него и направление (пеленг). Длительность паузы между соседними посылками импульсов составляет несколько секунд.

Для определения дальности объекта чаще всего пользуются амплитудной и частотной модуляциями сигнала. Гидролокатор с частотной модуляцией представлен на рисунке 1.

 

 

При амплитудной импульсной модуляции расстояние R до цели находится по времени запаздывания t₀ отражённого импульса: R=ct₀/2, где с - скорость распространения звука в среде. При частотной модуляции частота излучаемого сигнала меняется со временем t по линейному закону f(t)=f₀+gt, где f₀ и g - постоянные начальная частота и скорость изменения частоты. Отражённый сигнал, принятый приёмником 3 (рис.1, а), отличается по частоте от сигнала, излучаемого в данный момент (рис.1, б), т. к. принятый сигнал (рис.1, в) представляет собой задержанную на время t_с копию посланного сигнала, а частота излучаемого сигнала за время t_с изменилась согласно приведённой формуле. Для неподвижной цели разность частот постоянна и равна: f- =gt_с (рис.1, г). Выделив разностную частоту, определяют расстояние до цели R=сf-/2g. Аналогична схема действия гидролокатора с шумовым излучением и корреляционной обработкой сигнала. Основной характеристикой гидролокаторов является дальность обнаружения, которая зависит от мощности излучаемого сигнала, от уровня акустических помех и от условий распространения звука в водной среде. Её обычно определяют по величине так называемого порогового сигнала, т. е. сигнала минимальной интенсивности, ещё различимого на фоне помех.

Наряду с помехами на дальность обнаружения оказывает влияние рефракция звука, имеющая место в сложных гидрологических условиях.Большинство генераторов работает в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот (4—40 кГц). Это обусловлено необходимостью получения острой направленности антенны (при относительно небольших её размерах) и достижения заданной разрешающей способности. Гидролокаторы различного назначения обладают дальностью действия от сотен метров до десятков километров и обеспечивают точность пеленгования около 1°. Для уменьшения неблагоприятного влияния гидрологических факторов на дальность действия применяют гидролокаторы с акустической системой, помещенной в контейнер, буксируемый кораблём на глубине несколько десятков метров (гидролокатор с переменной глубиной погружения).

Для предохранения от разрушения и для уменьшения гидродинамических помех приёмно-излучающую антенну и механизм поворотного устройства 8 помещают в обтекатель 9, который выдвигается из днища 10 судна или стационарно закреплён на нём. Приёмный тракт обычно снабжён временной автоматической регулировкой усиления. В гидролокаторе используют ненаправленное излучение, а приёмное устройство работает так, что обеспечивается круговой обзор всех объектов, находящихся в пределах радиуса наблюдения (например, используется гидроакустическая антенна с веерной характеристикой направленности и электронно-лучевой индикатор кругового обзора). Распространение получили также гидролокатор бокового обзора, приёмно-излучающая антенна которых обладает узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости и широкой – в вертикальной; максимум диаграммы ориентируется перпендикулярно движению судна. Излучённый импульс при распространении последовательно озвучивает клиновидную полоску дна и рассеивается на его неровностях; принятый сигнал регистрируется на самописце как в эхолоте. В результате при движении судна получается карта релье¬фа дна в прямоугольных координатах. Как правило, такие гидролокаторы предназначены для работы в мелководных районах.

Гидрофоны представляют собой подводные аналоги микрофонов и используются при прослушивании шумов, исходящих от цели. На подводных лодках они служат средствами поиска и обнаружения противника чаще, чем гидролокаторы активного типа, так как при излучении локационного сигнала подводная лодка может обнаружить себя. Гидрофоны размещают по дну на входе в гавань; от них по кабелям сигналы поступают на наземные станции обработки, благодаря чему осуществляется постоянный контроль движения надводных и подводных судов в районе порта. Гидрофоны имеют ограниченные возможности, т.к. с их помощью нельзя непосредственно определить удаленность объекта; можно лишь установить направление на него.

Рассмотрим здесь блок-схему активного гидролокатора кругового обзора (рисунок 1).

Преобразователь представляет собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в механическую и наоборот. Такими преобразователями являются, например, микрофоны и громкоговорители. В гидролокаторе преобразователь исполняет обе функции. Обычно он размещается на днище надводного корабля и в верхней части корпуса подводной лодки. Иногда преобразователями служат пьезоэлектрические кристаллы (они меняют свои размеры при подаче на них электрического напряжения либо меняют форму при воздействии внешних сил, и на их поверхности возникает разность электрических потенциалов), но в данной схеме используется магнитострикционный (одновременно магнитоупругий) элемент – никелевый стержень с намотанной на него проволочной катушкой индуктивности. При нарастании электрического тока в катушке возникает магнитное поле, сжимающее стержень, при убывании тока – поле, растягивающее его. На конце стержня закреплена диафрагма, соприкасающаяся с водой, поэтому при сокращениях и удлинениях стержня в воде возбуждаются упругие колебания – звуковые волны. По прибытии эха все происходит в обратном порядке, и движения диафрагмы возбуждают ток в катушке. Набор таких преобразователей располагается по кругу в горизонтальной плоскости; каждый из них ориентирован в своем направлении. Передатчик воздействует на все преобразователи одновременно, и звуковые волны уходят сразу во всех направлениях. Но каждый преобразователь соединен с приемником отдельно, поэтому направление на цель определяется по тому элементу, который «слышит» эхо.

Передатчик. Оператор сидит за пультом управления, контролируя работу передатчика – мощного генератора ультразвуковых импульсов (средняя мощность типичного передатчика – около 8 кВт, пиковая в импульсе достигает 160 кВт). Несущая частота передатчика фиксирована около 20 кГц, а длительность импульса может меняться оператором от 0,005 до 0,1 с. Частота повторения импульсов тоже может варьироваться от 1 до 60 имп/мин – в зависимости от максимальной величины радиуса зоны обзора (все эхо-сигналы должны быть приняты до момента посыла следующего импульса). Выбор частоты передатчика зависит от нескольких величин, влияние которых противоположно: с увеличением частоты возрастают потери на трассе, но интенсивность принимаемых собственных шумов воды и габариты преобразователя становятся меньше. Из этих соображений наиболее выгодным диапазоном эхолокации является полоса частот от 18 до 24 кГц. Акустические устройства шумопеленгации наиболее эффективно работают на частотах ниже 1 кГц, на которых наиболее мощно излучаются шумы кораблей. Выходная мощность передатчика ограничивается сверху тем ее значением, при котором в воде возникает кавитация. Кавитационные пузырьки незамедлительно отражают в преобразователь существенную долю излучаемой мощности. С увеличением давления (т.е. глубины) возрастает и допустимый предел излучаемой акустической мощности.

Реле приема-передачи. Так как один и тот же преобразователь выступает в роли излучателя и чувствительного элемента, его следует автоматически подключать то к передатчику, то к приемнику.

Приемник. Принимаемые различными чувствительными элементами сигналы раздельно поступают в приемно-усилительный тракт, а оттуда – на коммутатор. В приемном тракте есть специальные схемы подавления паразитных сигналов.

Коммутатор. Здесь принятый сигнал направляется по двум раздельным каналам – слухового контроля и видеоиндикации. Сегменты статора (неподвижной части коммутатора) расположены по кругу; на каждый из них поступает сигнал от определенного преобразователя. Положением первого ротора (с выходом на аудиоканал) управляет оператор, выбирая интересующее его направление прослушивания; гетеродинный конвертер канала слухового контроля переводит принятый сигнал на звуковую частоту 800 Гц и посылает его в головные телефоны оператора. Второй ротор коммутатора, связанный с видеоканалом, вращается с постоянной скоростью 1750 об/мин синхронно с разверткой индикатора кругового обзора, подобно тому, как это делается в радаре, и позволяет визуализировать каждый эхо-сигнал с его пеленгом. За время между посылами двух последовательных импульсов зондирования развертка совершается дважды, так что все принятые отражения выводятся на экран индикатора (рисунок 2).

Регистрирующий индикатор кругового обзора. Представляет собой электронно-лучевую трубку с круговой разметкой экрана, на котором отмечаются все обнаруженные объекты вблизи производящего гидролокацию корабля (ему соответствует круговое пятно в центре экрана). Поскольку отражения от более удаленных целей принимаются позже, развертка ведется по разворачивающейся спирали со скоростью 1 оборот в 1/1750 мин, и на том месте экрана, которое соответствует положению цели, возникает яркое световое пятно. Вращающаяся визирная линия и круговая шкала в 360° позволяют оператору определять истинный пеленг каждой цели. Кроме того, на экране имеется индекс дальности – маленькое световое пятно, которое оператор может вводить на экран для совмещения с изображением цели. Этот индекс связан с автоматическим счетчиком, вычисляющим расстояние до объекта. Выделяя на коммутаторе интересующее его направление, оператор по каналу слухового контроля оценивает характер конкретного эха и его происхождение – от косяка ли рыбы или подводной лодки, либо в результате подводной реверберации. Заодно можно оценить и направление движения цели, так как частота звука от приближающегося объекта выше, а от удаляющегося – ниже.

Блок обработки данных, куда поступает вся первичная информация о цели, вносит поправки с учетом условий распространения звука и движения самого судна с гидролокатором и выдает результаты расчетов дальности, пеленга, курса и скорости цели (необходимые, например, при наведении орудий боевого корабля).