Система позволит повысить точность и информативность работ по поиску затонувших судов, океанических месторождений полезных ископаемых, а также обеспечить защиту акваторий от несанкционированного проникновения.
Гидроакустические системы, которые используют звуковые колебания под водой для работы систем связи и навигации, получили широкое практическое применение в океанологических исследованиях, геологоразведке, обнаружении надводных и подводных кораблей и судов и во многих других сферах.
Однако сегодня активное освоение недр мирового океана, а также потребность в защите водных рубежей государства связаны с необходимостью создания новых, более совершенных гидроакустических систем по таким параметрам, как высокая информативность и безопасность передачи данных.
«Мы разработали уникальную гидроакустическую систему, которая позволит обеспечить подводную локацию при использовании перестраиваемых по частоте ультракоротких акустических импульсов или сложных по структуре электрически управляемых сигналов, сходных с теми, что в природе для навигации применяют китообразные, например, дельфины и белухи. Благодаря использованию таких сигналов, можно повысить информационную емкость, скрытность и помехоустойчивость работы системы в сравнении с существующими аналогами», – рассказывает доцент кафедры электроакустики и ультразвуковой техники (ЭУТ) СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Борис Георгиевич Степанов.
Дельфины, как и некоторые другие виды животных, например, летучие мыши, успешно используют эхолокацию для ориентации в пространстве и для определения местоположения объектов вокруг. Они издают характерные звуки наподобие щелчков и скрипов. Причем многие звуки дельфинов ухо человека не улавливает из-за слишком высоких частот. Именно эти ультразвуковые сигналы используют морские животные для гидролокации. В зависимости от характера решаемых этими животными задач (обнаружения, коммуникации, ориентации и др.), существенно изменяется пространственно-временная и спектральная структура излучаемых ими импульсных акустических сигналов.
Также следует отметить практически безотказную способность китообразных по обнаружению различных объектов в сложных помеховых условиях (реверберация на мелководье, эхолокационные сигналы сородичей при охоте на косяки рыб и др.). Это свидетельствует об уникальности эхолокационной системы китообразных, которая совершенствовалась в процессе многовековой эволюции.
Подобные ультразвуковые импульсы использует гидроакустическая система, созданная учеными ЛЭТИ. Основа разработки базируется на решении задач синтеза (определение условий возбуждения по заданным равномерной амплитудно-частотной и линейной фазочастотной характеристик излучения) для предложенных моделей пьезопреобразователей стержневого и волноводного типов, которые позволяют реализовать полосу пропускания до 3 октав. В результате были разработаны макеты антенн, составленных из указанных преобразователей, а также специальная система их возбуждения, управляемая компьютером. Наличие линейной фазочастотной характеристики излучения позволяет формировать сверхширокополосные акустические сигналы: ультракороткие акустические импульсы, различного типа кодовые последовательности, частотно модулированные и хаотические сигналы, а также – разные сигналы китообразных.
Эксперименты по моделированию и управлению звуковыми импульсами проводились в специальном пространстве – заглушенном гидроакустическом бассейне кафедры ЭУТ СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Для автоматизированного сбора и обработки данных исследователями были разработаны программное обеспечение и удобный интерфейс с использованием виртуального прибора. Они позволили существенно ускорить процесс проведения многочисленных измерений, подбирать параметры и получать необходимые результаты. Практической части исследований предшествовала большая теоретическая работа, которая стала основой для построения макетов антенн и программного обеспечения.
«Наша разработка имеет широкую область применений, например, для поиска и классификации подводных объектов – подводных аппаратов, затонувших судов, косяков рыб. Система также может использоваться для подводной геологоразведки, для мониторинга и защиты объектов морской деятельности (водный транспорт, береговые сооружения, буровые вышки) от незаконного проникновения, для проведения гидроакустических измерений, а также при построении адаптивных гидроакустических систем для связи с обучаемыми китообразными», – поясняет Борис Георгиевич Степанов.
Российских аналогов системы пока не существует. Результаты исследований запатентованы (патенты РФ № 173582, 176673). Проект выполнен в том числе в рамках госзадания Минобрнауки России.