способ определения пеленга источника звука

Формула изобретения

Способ определения пеленга источника звука, заключающийся в том, что измеряют температуру воздуха в приземном слое атмосферы, рассчитывают скорость распространения акустического сигнала в этом слое атмосферы при отсутствии ветра, измеряют скорость и дирекционный угол ветра в приземном слое атмосферы, выбирают на местности ровную площадку длиной и шириной около трехсот метров, устанавливают от примерного центра этой площадки на линии, перпендикулярной двум сторонам этого квадрата и направленной на примерный центр района особого внимания, на расстоянии около ста пятидесяти пяти метров углоизмерительный оптико-механический прибор над предполагаемой точкой пересечения линейных групп звукоприемников, измеряют им дирекционный угол направления с этой точки на примерный центр района особого внимания, находят разность между дирекционными углами ветра и указанного направления, рассчитывают скорость звука с учетом влияния ветра, рассчитывают длину звуковой волны, принимаемую звукоприемниками акустического пеленгатора, строят графики нормированных характеристик направленности линейных групп звукоприемников при различных отношениях расстояний между рабочими осями характеристик направленности звукоприемников к принимаемой ими длине волны, находят по этим графикам оптимальную характеристику направленности линейных групп звукоприемников, определяют по ней ширину ее на уровне половины и угол смещения рабочих осей данных характеристик относительно равносигнального направления, рассчитывают требуемое расстояние между рабочими осями соседних звукоприемников и длину их линейных групп, принимают акустические сигналы и помехи звукоприемниками, преобразуют их в электрические сигналы и помехи, суммируют их, выделяют из смеси электрических сигналов и помех электрический сигнал и ослабленные фильтрами помехи частотой f₀, пришедшие только из рабочего сектора акустического пеленгатора, измеряют в один и тот же момент времени максимальные амплитуды напряжений на выходах первого и второго каналов обработки сигналов, отличающийся тем, что выбирают частоту акустического сигнала f₀ из его амплитудного спектра, строят автоматически графики нормированных характеристик направленности линейных групп звукоприемников при отношениях расстояния между рабочими осями соседних звукоприемников к длине принимаемой ими звуковой волны, равных единице и менее, находят оптимальную характеристику направленности линейных групп звукоприемников, исходя из заданного числа звукоприемников в линейных группах, определяют по ней приближенное значение половины ширины нормированной характеристики направленности линейных групп звукоприемников, определяют автоматически точное значение ширины нормированной характеристики направленности линейных групп звукоприемников на уровне ее половины и угол смещения рабочих осей нормированных характеристик направленности линейных групп звукоприемников относительно равносигнального направления, рассчитывают разность углов между девяносто градусами и углом смещения рабочих осей нормированных характеристик направленности линейных групп звукоприемников относительно равносигнального направления, поворачивают оптическую ось углоизмерительного прибора, установленного над вышеназванной точкой, влево от направления на примерный центр района особого внимания угол, равный разности углов между девяносто градусами и углом смещения рабочих осей нормированных характеристик направленности линейных групп звукоприемников, поворачивают оптическую ось углоизмерительного прибора от направления на вторую веху влево на удвоенный угол смещения рабочих осей нормированных характеристик направленности линейных групп звукоприемников относительно равносигнального направления, устанавливают на направлении оптической оси на удалении половины длины линейной группы от точки пересечения линейных групп звукоприемников третью веху, поворачивают от направления на третью веху оптическую ось углоизмерительного прибора влево на угол сто восемьдесят градусов, устанавливают на направлении оптической оси этого прибора на удалении половины длины линейной группы от точки пересечения линейных групп звукоприемников четвертую веху, натягивают между этими вехами веревку, устанавливают первый звукоприемник с круговой нормированной характеристикой направленности в горизонтальной плоскости первой линейной группы над точкой, где была первая веха, и рабочая ось его была бы вертикальна, устанавливают потом аналогично остальные звукоприемники с круговой нормированной характеристикой направленности в горизонтальной плоскости на рассчитанных расстояниях между их центрами вдоль веревки, устанавливают первый звукоприемник второй линейной группы звукоприемников над точкой, где была третья веха, и рабочая ось его была бы вертикальна, устанавливают также остальные звукоприемники на рассчитанных расстояниях между их центрами вдоль веревки, поворачивают оптическую ось углоизмерительного прибора на примерный центр района особого внимания, поворачивают ее вправо или влево на угол сто восемьдесят градусов, размещают на этом направлении на расстоянии около ста пятидесяти пяти метров от этого прибора звукоприемник с нормированной характеристикой направленности в горизонтальной плоскости, описываемой кардиоидой, чтобы его рабочая ось была примерно параллельна плоскости горизонта и приблизительно совпадала с направлением на примерный центр района особого внимания, размещают на этом же направлении на удалении около ста пятидесяти метров от установленного звукоприемника звукоприемник с нормированной характеристикой направленности в горизонтальной плоскости, описываемой кардиоидой, чтобы его рабочая ось была примерно параллельна плоскости горизонта и противоположна направлению на примерный центр района особого внимания, вычитают из максимальной амплитуды напряжения на выходе первого канала обработки максимальную амплитуду напряжения на выходе второго канала обработки, складывают эти максимальные амплитуды напряжений, получают отношение их разности к их сумме и определяют по этому отношению автоматически пеленг источника звука.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к акустическим пеленгаторам (базным пунктам) автоматизированных звукометрических комплексов (АЗК), находящихся на вооружении Сухопутных войск, и может быть использовано для определения пеленга источника звука (ИЗ) (угла между известным направлением и направлением на ИЗ) и топографических координат этого ИЗ. Известным направлением может быть перпендикуляр, восстановленный из средины акустической базы (расстояния между проекциями на горизонтальную плоскость двух звукоприемников (ЗП)) [1...6]. В этих акустических пеленгаторах (АП) для определения пеленга (исправленного звукометрического угла) используется «принцип разности времен», а он определяется таким аналитическим выражением (АВ):

где =arcsin(C /1) - звукометрический угол (см. АВ (3) на стр.57 работы [1]);

С 331 (1+t/273)^0,5 - скорость звука в приземном слое атмосферы при (1) неблагоприятных условиях слышимости (эти условия см. на стр.49 работы [1])и отсутствии ветра, см. АВ (8) на стр.21 работы [1];

t - температура воздуха в приземном слое атмосферы;

=t₂-t₁ - разность времен прихода акустического сигнала (АС), образованного, например, выстрелом артиллерийского орудия, к ЗП (см. АВ (1) на стр.55 работы [1]);

t₁, t ₂ - время прихода звука к первому (правому относительно директрисы) и второму (левому относительно директрисы) ЗП соответственно;

1 - акустическая база (АБ), расстояние между ЗП;

- поправка в звукометрический угол на удаление ИЗ от средины АБ, рассчитываемая с использованием АВ (16) или (21) (см. стр.66, 67 работы [1]);

_W - поправка в звукометрический угол на скорость и направление ветра (общая поправка на ветер), рассчитываемая с использованием АВ (40) (см. стр.74 работы [1]); (но наиболее точно можно определять скорость и направление ветра при любых условиях слышимости, используя работу [7]);

_h - поправка в звукометрический угол на превышение (понижение) ИЗ, определяемая по методике, приведенной на стр. 88...93 работы [1]).

Но пеленг ИЗ в вышеуказанном способе не может быть определен при большой частоте прихода сигналов от этих ИЗ к АП, т.к. эти сигналы поступают из большого сектора и с большой частотой, например, при артиллерийской подготовке атаки и огневой поддержке наступающих войск. Кроме того, пеленг ИЗ в них может быть определен, если звук излучается этим ИЗ кратковременно, например, при выстреле артиллерийского орудия, залпе нескольких орудий, разрыве снаряда и т.п. А способ измерения пеленга, используемый в патенте США №3042897 [6], обладает малой точностью, см. стр.5 описания изобретения к патенту РФ №2138059 [10], и обладает вышеуказанным недостатком.

Более совершенным способом измерения пеленга ИЗ по сравнению с рассмотренным выше является способ, описанный в [8], но недостатком способа пеленгования в нем является «ухудшение точности пеленгации при увеличении времени компенсации за счет увеличения ширины диаграммы направленности групп акустических преобразователей», см. стр.5 описания изобретения к патенту РФ №2138059 [10].

Еще более совершенным способом измерения пеленга ИЗ по сравнению со способом, используемом в [8], является равносигнальный [9], который осуществляется двумя группами акустических преобразователей, см. стр.5 описания изобретения к патенту РФ №2138059 [10], но и он обладает недостаточной точностью пеленгования, см. стр.6 описания изобретения к патенту РФ №2138059 [10].

Этот же способ определения пеленга используется и в [10], где измерение пеленга ИЗ с непрерывным излучением (например, при пеленговании подводной лодки, см. стр.3, 7, абзац 3 [10]) производится на нескольких несущих частотах путем определения разности напряжений на выходах двух каналов обработки сигналов (см, стр. 8, абзац 2 [10]), что обеспечивает высокую точность пеленгования (см, стр.8, абзац 4 [10]). Недостатками способа в данном АП являются следующие: большое время, необходимое для получения точного пеленга ИЗ и особенно ИЗ, излучающего кратковременный сигнал, т.к. его измерение производится на нескольких частотах; большая сложность технической реализации данного способа измерения пеленга ИЗ, т.к. имеется несколько каналов обработки, см. фиг.1 [10], а следовательно, низкая надежность в работе и высокая стоимость этого АП.

В патенте РФ №2048678 [11] предлагается фазовый способ определения пеленга ИЗ с корреляционной обработкой сигнала, обеспечивающий высокую точность пеленгования, см. стр.34 абзац 3 работы [12], но он имеет следующие недостатки: «требует абсолютной идентичности амплитудных и частотных характеристик обоих каналов, что на практике достигается с большим трудом», см. стр.34 абзац 2 работы [12]; обладает низкой помехозащищенностью, т.к. при одновременном приеме сигналов даже от 2 ИЗ фаза суммарного сигнала будет другой по сравнению с приемом сигнала от одного ИЗ, что очевидно.

В патентах РФ №2274873 [13] и №2276383 [14] используется равносигнальный способ измерения пеленга ИЗ, когда пеленг вычисляется по отношению амплитуды напряжения, принятого 1 каналом обработки сигнала (КОС), к амплитуде напряжения, принятого 2 КОС. Назовем его классическим. Он обеспечивает достаточно высокую точность определения пеленга за счет оптимального выбора параметров основных устройств АП и использовании большого числа ЗП, и хорошую помехозащищенность. В качестве прототипа способа определения пеленга ИЗ будем использовать способ, приведенный в [14]. Исследования показали, что точность пеленгования ИЗ можно повысить, а также сократить время определения этого пеленга.

Поэтому задачами изобретения является увеличение точности измерения пеленга ИЗ за счет снижения доли случайных ошибок и сокращение времени для его получения.

Для достижения указанного результата необходимо сделать следующее:

1. Измерить температуру воздуха в приземном слое атмосферы t с помощью термометра (пусть она равна 5°С);

2. Рассчитать скорость звука в этом слое атмосферы при отсутствии ветра, используя АВ (1); (для рассматриваемого примера скорость звука будет равна 334,0173824 м/с);

3. Измерить скорость и дирекционный угол (ДУ) ветра (W и _W) в приземном слое атмосферы (на высоте 2 м от поверхности земли), (при неблагоприятных условиях слышимости эти параметры ветра в этом слое атмосферы можно измерить, например, десантным метеорологическим комплектом ДМК 2, пусть скорость ветра равна 5 м/с, а ДУ ветра - 270° или 3/2 , т.е. западный ветер).

(Температуру воздуха в приземном слое атмосферы, равную 5°С, скорость и ДУ ветра в указанном слое атмосферы, равные 5 м/с и 270° соответственно, а также ДУ направления: точка пересечения 1 и 2 ЛГ ЗП - примерный центр района особого внимания (РОВ), район, где предполагается наличие, например, огневых позиций артиллерийских и минометных батарей противника, равный 270°, назовем основным вариантом (ОВ) исходных данных (ИД));

4. Выбрать на местности ровную площадку длиной и шириной около 300 м (в прототипе это действие отсутствует);

5. От примерного центра этой площадки на линии, перпендикулярной двум сторонам этого квадрата и направленной на примерный центр РОВ, на расстоянии около 155 м установить перископическую артиллерийскую буссоль ПАБ 2А (углоизмерительныи оптико-механический прибор) над предполагаемой точкой пересечения линейных групп (ЛГ) ЗП и измерить ей ДУ с этой точки на этот центр РОВ _ЛГИЗ (в прототипе это действие отсутствует), (пусть этот угол равен также 270°, такой же ДУ должен быть и у равносигнального направления _РСН);

6. Найти разность между ДУ ветра и направления: точка пересечения ЛГ ЗП - примерный центр РОВ, т.е.

, см. стр.25, АВ (16) работы [1];

(в прототипе это действие отсутствует), в рассматриваемом примере =0;

7. Рассчитать скорость звука с учетом влияния ветра.

При неблагоприятных условиях слышимости она рассчитывается по формуле

, (см. стр.24, АВ (14) работы [1], это АВ является более общим по сравнению с АВ, приведенным на стр.5 прототипа [14], в прототипе угол определить затруднительно),

(в рассматриваемом примере скорость звука с учетом влияния ветра будет равна 339,0173824 м/с);

8. Выбрать частоту с наибольшей амплитудой из амплитудного спектра акустического сигнала (например, при определении пеленга артиллерийского орудия, которое произвело выстрел, см. стр.51 работы [3], из этого спектра можно взять гармонику частотой f ₀=20 Гц), которую назовем рабочей частотой АП, в прототипе эта частота обозначена через f, см. стр.5 [14]), (в прототипе это действие опущено, что также затрудняет определение пеленга ИЗ);

9. Рассчитать длину звуковой волны, принимаемой ЗП АП по формуле

(см. стр.5 [14]).

(Так, при вышеуказанных условиях она равна 16,9508691 м);

10. Задавшись числом ЗП в ЛГ(например, n=10), рассчитать нормированные характеристики направленности (НХН) ЛГ ЗП по формуле

(см. стр.5 [14] или [15, стр.214, АВ (VI. 49) и стр.198 АВ (VI. 50)] и построить их графики (например с помощью ЭВМ с использованием пакета прикладной программы "Mathcad 2001i", см. Фиг.1...Фиг.9, из-за простоты эта программа не приводится),

где k= Z; Z=d/ ;

R_ЗП - НХН каждого из ЗП, входящих в ЛГ (при ненаправленных ЗП)

R _ЗП=1, см. стр.5 [14], или стр.97, 98 [15];

d - расстояние между рабочими осями соседних ЗП в ЛГ;

- угол в горизонтальной плоскости между направлением точка пересечения 1 и 2 ЛГ ЗП - ИЗ и произвольным направлением;

11. Варьируя отношением Z, можно получить НХН с наиболее узкой шириной на уровне 0,5 и с боковыми лепестками, не превышающими уровня 0,2 (оптимальную НХН); с увеличением этого отношения ширина НХН уменьшается (что повышает точность пеленгования), но увеличивается уровень боковых лепестков, (так при числе ЗП, равном 20, и значении Z, равном 0,921, можно получить НХН, приведенные на фиг.1, 2, 3 и 4, из которых видно, что уровень основного бокового лепестка не превосходит 0,2; при числе ЗП, равном 10, и значении Z, равном 0,84, можно получить НХН, приведенные на фиг.5, 6, 7 и 8, из которых видно, что уровень основного бокового лепестка также не превосходит 0, 2;

(в прототипе эти действия отсутствуют, что увеличивает время получения пеленга, см. стр.5 [14]);

12. Из графика оптимальной НХН приближенно определяется значение угла , при котором ее значение равно 0,5; (приближенные значения этих углов, полученные из фиг.2 и 6, например, при n=20 и n=10 соответственно равны 0,032 и 0,072 рад); (в прототипе эти действия отсутствуют, что увеличивает время получения пеленга, см. стр.5 [14]);

13. По полученному в пункте 12 приближенному значению угла рассчитать точное значение угла _n+1, используя программу автоматического расчета его, приведенную в приложении 1, при котором значение НХН точно равно 0,5, используя, например, модифицированный метод Ньютона для решения трансцендентных уравнений [17, см. стр.86, 87]

(наличие приложения 1 обеспечивает более быстрое получение ширины НХН на уровне 0,5 и в конечном счете угла смещения рабочих осей НХН 1 и 2 ЛГ ЗП относительно равносигнального направления, по сравнению с прототипом, см. стр.5 и 6 прототипа [14]),

где _n - значение угла при n-ом приближении (при n=1 это значение, взятое из графика, см. пункт 12);

- шаг дискретизации угла (например, =0,0000001 рад);

Расчет этого угла заканчивается, когда будет выполняться условие

то полученное значение угла _n+1 будет точным. (Так, применительно к рассматриваемым 2 примерам точные значения модулей этих углов соответственно равны 0,0327913 рад при числе ЗП, равном 20; и 0,0721545 рад при числе ЗП, равном 10); (в прототипе эти действия отсутствуют, что увеличивает время получения пеленга, см. стр.5 [14]);

14. Рассчитать требуемое расстояние между рабочими осями соседних ЗП по формуле

что очевидно. (Так, для рассматриваемых примеров эти расстояния равны 15,62 м при 20 ЗП в ЛГ и 14,24 м при 10 ЗП в ЛГ);

15. Рассчитать ширину НХН на уровне 0,5 по формуле

что очевидно (для рассматриваемых 2 примеров эти величины равны 0,0655825 рад при 20 ЗП в ЛГ и 0,1443089 рад при 10 ЗП в ЛГ, которые можно получить, используя тексты программ, приведенные в приложении 1);

16. Рассчитать угол смещения рабочих осей НХН 1 и 2 ЛГ ЗП относительно равносигнального направления по формуле

, [14, с.5] или [16, с.46]

(для рассматриваемых 2 примеров эти величины равны 0,0196748 рад при 20 ЗП в ЛГ и 0,0432927 рад при 10 ЗП в ЛГ, которые можно получить, используя тексты программ, приведенные в приложении 1);

17. Рассчитать длину ЛГ по формуле

что очевидно (для рассматриваемых 2 примеров эти величины равны 296,78 м при 20 ЗП в ЛГ и 128,16 м при 10 ЗП в ЛГ);

18. Рассчитать разность углов по формуле

19. Определить на местности 1 линию, где будут располагаться ЗП 1 ЛГ (для чего оптическую ось (OO) углоизмерительного прибора, установленного над вышеназванной точкой, которым измерялся ДУ с этой точки на примерный центр РОВ, отвести влево от этого направления на угол и установить 1 веху на этом направлении на расстоянии L _ГР/2), это расстояние измерить мерной лентой, повернуть ОО этого прибора вправо на угол 180° и поставить 2 веху на этом направлении на расстоянии L _ГР/2, между этими вехами натянуть веревку), (в прототипе эти действия отсутствуют);

20. Определить на местности 2 линию, где будут располагаться ЗП 2ЛГ (для чего ОО этого прибора повернуть влево на угол 2 _С и на этом направлении на расстоянии L _ГР/2 поставить 3 веху, а затем повернуть ОО прибора влево на угол 180° и на этом направлении на расстоянии L _ГР/2 поставить 4 веху, между этими вехами натянуть веревку), (в прототипе эти действия отсутствуют);

21. Разместить ЗП на первой прямой (для чего установить 1 ЗП так, чтобы его центр располагался над точкой, где была 1 веха, и рабочая ось его была вертикальна, потом так установить остальные ЗП на расстояниях d между их центрами вдоль веревки, центр последнего ЗП должен располагаться над точкой, где была 2 веха), (в прототипе эти действия отсутствуют);

22. Разместить ЗП на второй прямой (для чего установить ЗП так, чтобы его центр располагался над точкой, где была 3 веха, и рабочая ось его была вертикальна, потом так установить остальные ЗП на расстояниях d между их центрами вдоль веревки, центр последнего ЗП должен располагаться над точкой, где была 4 веха), (в прототипе эти действия отсутствуют);

23. Разместить ЗП, принимающий сигналы с фронта (ЗПФ), и ЗП, принимающий сигналы с тыла (ЗПТ), на местности (ОО прибора навести на примерный центр РОВ и повернуть ее вправо или влево на угол 180° и на этом направлении на расстоянии около 150 м установить ЗП так, чтобы его рабочая ось была примерно параллельна плоскости горизонта и совпадала с направлением на этот центр, а затем на этом направлении на расстоянии также около 150 м установить также ЗП, но его рабочая ось должна быть повернута в противоположное направление относительно оси ЗПФ);

НХН ЗПФ и ЗПТ описываются такими АВ:

где М=0,5; =0,5 [20, стр.97, 98], см. фиг.10, что обеспечивает прием АС ЗП 41, в основном, только с фронта, а ЗП 42 - с тыла, см. фиг.11, что не обеспечивается в прототипе, см. фиг.13 на стр.22 [14].

Схему размещения ЗП см. на фиг.11, а схему пеленгования - см. фиг.12;

24. Принять акустические сигналы (АС) и помехи, преобразовать их в электрические сигналы и помехи, просуммировать их, выделить из этих электрических сигналов и помех электрический сигнал, пришедший только из рабочего сектора ХН ЛГ и ослабленные фильтрами по амплитуде напряжения помехи, выделить часть амплитудного спектра сигнала и помех с центральной частотой f ₀, см. фиг.13;

25. Измерить в один и тот же момент времени амплитуды напряжений на выходах 1 и 2 каналов, см. фиг.13.

Амплитуды напряжений на выходах 1 и 2 каналов описываются такими АВ:

, [16, стр.44...47],

где К_У - коэффициенты передачи (усиления) по напряжению сигнала частотой f₀ 1 и 2 каналов, которые определяется экспериментально, и должны быть одинаковыми в этих каналах;

U₀ - амплитуда напряжения на выходе АД 1 и 2 каналов при приеме АС на частоте f₀ при нахождении ИЗ на рабочих осях НХН 1 и 2 ЛГ ЗП, если бы коэффициенты усиления (передачи) вышеназванных каналов были равны 1;

[16, С.44...47];

, при | |< _С.

, [16, стр.44...47],

; [16, С.44...47];

В прототипе определяется отношение

это уравнение является трансцендентным относительно пеленга , которое решается методом Ньютона или модифицированным методом Ньютона [17, см. стр.86, 87]

26. Из амплитуды напряжения, измеренной на выходе 1 канала, вычесть амплитуду напряжения, измеренную на выходе 2 канала, т.е.

27. Сложить амплитуду напряжения, измеренную на выходе 1 канала, с амплитудой напряжения, измеренной на выходе 2 канала, т.е.;

в прототипе это действие отсутствует;

28. Рассчитать отношения этой разности и суммы амплитуд напряжений по формуле

в прототипе это действие отсутствует;

29. Вычислить пеленг источника звука, используя, например, модифицированный метод Ньютона (см. стр.87 работы [17]) по итерационной формуле

при | _J+1- _J|= и = ,

где j=1, 2, ...J номера (итераций) приближений;

_j - значение пеленга ИЗ при j-ом приближении;

_j+1 - значение пеленга ИЗ при (j+1)-ом приближении;

- погрешность результата вычислений, например, =10^-7 рад;

- шаг итерации;

_CP - значение отношения разности и суммы амплитуд напряжений, полученное в пункте 28;

при | _j| | _C|, | _j+ | | _C| и при следующих условиях (см. фиг.11 и 13): <| _c|; T₁<Т ₄; Т₂<Т₃ ; T₁ Т₂; Т₁ Т₂; T₁<Т ₃; T₂<Т₄ ; Т₃ Т₄; Т₃ Т₄, при приходе АС с одного из направлений внутри рабочего сектора АП;

Т₂<T ₁; T₂<Т₃ ; Т₂<Т₄; T ₁<Т₄; Т₃ <Т₄; Т₃<T ₁, при приходе АС с правой границы рабочего сектора АП;

T₁<Т₄; T ₁<Т₂; T₁ <Т₃; Т₄<Т ₂; Т₄<Т₃ ; Т₂<Т₃, при приходе АС с левой границы рабочего сектора АП,

где T ₁, T₂, Т₃, Т₄ - времена прихода АС к ЗП 1, 21, 20 и 40 соответственно.

При невыполнении вышеназванных условий расчет пеленга ИЗ не производится.

Решая уравнение (2) относительно , не превышающем 0,1 рад, и одинаковых коэффициентах усиления 1 и 2 каналов, что выполняется в АП, реализующих этот способ определения пеленга, можно получить следующую формулу для расчета пеленга при j=1:

, [18, стр.138], (4)

где

Итак, используя АВ (3) с учетом входящих в него формул, с помощью ЭВМ можно быстро рассчитать искомый пеленг. Текст программы расчета пеленга ИЗ и результаты вычислений этого пеленга для 5 значений _СР,

а также пеленгационная характеристика приведены в приложении 2.

Заявляемый способ иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг.1 НХН ЛГ, содержащих по 20 ЗП, при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,921, и основном варианте исходных данных в декартовой системе координат.

Фиг.2 Часть НХН ЛГ, содержащих по 20 ЗП, при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,921, при основном варианте исходных данных в декартовой системе координат.

Фиг.3 НХН ЛГ, содержащих по 20 ЗП, при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,921, при основном варианте исходных данных в полярной системе координат.

Фиг.4 Часть НХН ЛГ, содержащих по 20 ЗП, с основным боковым лепестком при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,921, при основном варианте исходных данных в декартовой системе координат.

Фиг.5 НХН ЛГ, содержащих по 10 ЗП, при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,84, при основном варианте исходных данных в декартовой системе координат.

Фиг.6 Часть НХН ЛГ, содержащих по 10 ЗП, с половиной основного лепестка при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,84, при основном варианте исходных данных в декартовой системе координат.

Фиг.7 НХН ЛГ, содержащих по 10 ЗП, при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,84, при основном варианте исходных данных в полярной системе координат.

Фиг.8 Часть НХН ЛГ, содержащих по 10 ЗП, с основным боковым лепестком при отношении расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны гармоники частотой 20 Гц, равном 0,84, при основном варианте исходных данных в декартовой системе координат.

Фиг.9 Нормированные характеристики направленности 1 и 2 линейных групп звукоприемников, рабочие оси которых смещены на угол _С относительно равносигнального направления.

Фиг.10 Нормированные характеристики направленности фронтального и тылового звукоприемников в полярной системе координат.

Фиг.11 Схема расположения звукоприемников на поверхности земли.

Фиг.12 Схема расположения звукоприемников 1 и 2 линейных групп на поверхности земли, проекции их характеристик направленности на горизонтальную плоскость и основные параметры. НХН 1 ЛГ описывается таким АВ: R₁ ^*=R( _С- ); НХН 2 ЛГ описывается таким АВ: R₂ ^*=R( _С+ ).

Фиг.13 Акустический пеленгатор, реализующий заявляемый способ определения пеленга источника звука. Схема электрическая структурная.

Фиг.14 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне -0,0196...0,018 рад, при классическом способе определения пеленга, 20 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и различных удалениях этого орудия от пеленгатора. Кривая 1 рассчитана при удалении на 20 км; кривая 2-15 км; кривая 3-10 км и кривая 4-5 км.

Фиг.15 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела СГ калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне 0,018...0,0196 рад, при классическом способе определения пеленга, 20 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и удалениях этого орудия от пеленгатора на 20 км (кривая 1) и на 15 км (кривая 2).

Фиг.16 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне 0,018...0,0196 рад, при классическом способе определения пеленга, 20 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и удалениях этого орудия от пеленгатора на 5 км (кривая 1 ) и на 10 км (кривая 2).

Фиг.17 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела СГ калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне -0,04...0,038 рад, при классическом способе определения пеленга, 10 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и различных удалениях этого орудия от пеленгатора. Кривая 1 рассчитана при удалении на 20 км; кривая 2-15 км; кривая 3-10 км и кривая 4-5 км.

Фиг.18 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне 0,038...0,04 рад, при классическом способе определения пеленга, 10 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и различных удалениях этого орудия от пеленгатора. Кривая 1 рассчитана при удалении на 15 км; кривые 2 и 3 - 10 и 5 км.

Фиг.19 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне 0,038...0,04 рад, при классическом способе определения пеленга, 10 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и удалении этого орудия от пеленгатора на 20 км.

Фиг.20 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне -0,0196...0,0196 рад, при суммарно-разностном (предлагаемом) способе определения пеленга, 20 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и различных удалениях этого орудия от пеленгатора. Кривая 1 рассчитана при удалении на 20 км; кривая 2-15 км; кривая 3-10 км и кривая 4-5 км.

Фиг.21 Зависимость статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного значения, изменяющегося в диапазоне -0,04...0,04 рад, при суммарно-разностном (предлагаемом) способе определения пеленга, 10 звукоприемниках в каждой линейной группе, измерении дирекционных углов этих групп перископической артиллерийской буссолью ПАБ 2А и различных удалениях этого орудия от пеленгатора. Кривая 1 рассчитана при удалении на 20 км; кривая 2-15 км; кривая 3-10 км и кривая 4-5 км.

При сравнении точности рассматриваемых способов определения пеленга ИЗ в качестве количественного критерия ее возьмем статистическую оценку (СО) среднеквадратической ошибки (СКО) измерения пеленга, как наиболее распространенную в теории измерений. Учитывая сложность АВ для определения пеленга ИЗ рассматриваемых способов, используем метод статистических испытаний для расчета СО СКО измерения этого пеленга. СО СКО измерения пеленга ИЗ в прототипе с учетом помех, создаваемых ветром, действующим на входе микрофонов ЗП, и тепловыми шумами электронных устройств АП, определяется таким АВ [19 АВ (11.6.14)].

где -

СО математического ожидания (МО) пеленга ИЗ;

N - максимальное число испытаний;

(это AB получено решением уравнения вида _К=(U₁+U _Ш1)/(U₂+U_Ш2 ) относительно [18, стр.138], а приближенное AB его получено на основе [18, стр.119, 7-я формула сверху);

_и - истинный пеленг ИЗ;

, при | _и|< _ci;

U_Ш1i , U_Ш2i - амплитуды напряжений на выходах 1 и 2 каналов, обусловленные влияниями вышеуказанных помех;

i - текущий номер испытаний;

, при | _i|< _C.

Случайные величины (СВ) U_0i, d_i, f _0i., t_i, W_i , U_Ш1i, U_Ш2i и _i, входящие в эти АВ, и которые обозначим через Xi, наиболее вероятно распределены по нормальному закону [19, стр.168...171] (хотя для сравнения этих 2 способов определения пеленга ИЗ вид законов распределения не имеет значения, а лишь бы был одинаковый закон в одном и другом случаях, что очевидно) и определяются таким общим АВ [17 стр.137]:

где m_X и _X - MO и СКО СВ Х соответственно;

-

случайные числа (СЧ) с нормальным законом распределения;

R_Xi - СЧ, равномерно распределенные на интервале 0...1;

R_X(i-1)=0, при i=1.

В предлагаемом способе измерения пеленга СО его СКО будет также определяться АВ, аналогичным АВ (5), т.е.

где ;

(это АВ получено решением уравнения вида _К=[(U₁+U _Ш1)-(U₂+U_Ш2 )]:[(U₁+U_Ш1)+(U ₂+U_Ш2)] относительно [18, стр.138], а приближенное АВ его получено на основе [18, стр.119, 7-я формула сверху);

В качестве примера ИЗ возьмем выстрел из самоходной гаубицы (СГ) калибра 155 мм. По данным работы [3. см. стр.45, 47 и 48] амплитуда звукового давления в непосредственной близости от СГ калибра 152 мм составляет Р_Иm=127·10 ⁴ Па. Используя график на рис. 16 работы [3, см. стр.48] можно показать, что при выстреле из СГ калибра 155 мм это давление будет около 1,3 МПа.

По данным работы [3. см. АВ (2.7) на стр.45] амплитуда звукового давления в точке, удаленной на S метров от ИЗ, эта амплитуда будет определяться таким АВ:

, при q=1, 6...1.7.

Тогда при q=1,65 и S=5, 10, 15 и 20 км Р_И=1,025; 0,327; 0,167 и 0,104 Па соответственно.

Эксперименты, проведенные в Тульском ОКБ " Октава", показали, что ЛГ из 4 микрофонов типа МКЭ - 389 обладает чувствительностью _м=50 мВ/Па, тогда можно предположить, что ЛГ из 20 ЗП с микрофонами подобного типа будет обладать чувствительностью _ЛГ=250 мВ/Па. Тогда очевидно, что амплитуды напряжений можно рассчитать по формуле

Тогда в рассматриваемом примере U ₀ для рассматриваемых удалений будут равны 0,256; 0,082; 0,042 и 0,026 В соответственно, которые примем за МО этих амплитуд.

Для расчета СО СКО измерения пеленга возьмем следующие недостающие исходные данные: N=100000 число испытаний; m_fo =20 Гц; _fo=0,1 m_fo Гц, т.е. СКО частоты гармоники АС составляет 10 % от ее МО; m _d=15,62 м, см. пункт 11; _d=0,05 м, что обеспечит мерная лента; m_w=5 м/с, что часто наблюдается в приземном (на высоте 2 м от поверхности земли) слое атмосферы; _w=1 м/с, что обеспечивают современные метеорологические приборы; m =0, т.е. направление ветра западное и линия, соединяющая точку пересечения 1 и 2 ЛГ ЗП с примерным центром РОВ, направлена строго на запад; =0,01 рад, что также обеспечивают современные метеорологические приборы; m_t=5°С; _t=1°С, что обеспечивают современные термометры; n=20;

_U0=0,1 m_U0, т.е. СКО амплитуды напряжения, вызванного воздействием ИЗ, составляет - 10% от его МО; m _c=0,01967 рад, что показано в пункте 16; K _у1=K_у2=10; m_Uш1 =m_Uш2= =m_Uш=0; _Uш1= _Uш2= _Uш= =0,01 В. Покажем, что СКО определения угла смещения рабочих осей НХН ЛГ ЗП относительно РСН _с=0,001553 рад. При измерении ДУ направления: точка пересечения 1 и 2 ЛГ ЗП - на выбранный ориентир, находящийся примерно в центре РОВ, наблюдается срединная ошибка Е, равная 1 малому делению угломера [21] (одна шести тысячная доля окружности). Тогда Е=0,0010472 рад. Но срединная (вероятная) ошибка измерения связана со СКО следующей зависимостью [18, стр.567]:

где =0,4769. Тогда =0,001553 рад. Нахождение же положений ЛГ ЗП на местности производится уже поворотом OO прибора на указанные в пунктах 16 и 17 углы относительно измеренного направления на выбранный ориентир. При поворотах OO прибора и соблюдении требований, изложенных в [21], ошибки установки можно свести к нулю.

Поэтому СКО определения угла смещения рабочих осей НХН ЛГ ЗП относительно РСН можно принять равной 0,001553 рад.

Текст программы расчета СО СКО при определении пеленга классическим способом, что используется в прототипе, и числе ЗП в ЛГ по 20 приведен в приложении 3, а результаты расчетов этих СО приведены ниже на графиках фиг.14...16, а при 10 ЗП в ЛГ - фиг.17...19. Текст программы расчета СО СКО при определении пеленга суммарно-разностным способом (предлагаемом) и числе ЗП в ЛГ по 20 приведен в приложении 4, а результаты расчетов этих СО приведены ниже на графиках фиг.20, а при 10 ЗП в ЛГ - фиг.21.

Оценим точность полученных СО СКО пеленга этого выстрела. В качестве количественного критерия точности при нормальном или неизвестном законе распределения этого пеленга используется СКО СО дисперсии, определяемой следующей формулой [19, стр.461, АВ (11.7.9)]:

где - CO дисперсии пеленга выстрела СГ калибра 155 мм.

Очевидно, что СКО СО дисперсии пеленга этого ИЗ составляет 0,447% от СО дисперсии, т.к. . Т.е. полученные СО СКО пеленга при числе испытаний, равном 100000, можно считать СКО этого пеленга.

Из графиков, представленных на указанных фигурах, видно следующее:

1. При расположении этого ИЗ на левом крае рабочего сектора АП эти способы определения пеленга практически равноточные, но при нахождении этого ИЗ в правой части рабочего сектора АП СО СКО пеленга ИЗ у предлагаемого способа существенно меньше; 2. При расположении этого ИЗ на равносигнальном направлении эти ошибки практически равны нулю в обоих способах определения пеленга; 3. При большем числе ЗП в ЛГ рассматриваемые ошибки уменьшаются.

Электрическая структурная схема АП, реализующего предлагаемый способ измерения пеленга при использовании 20 ЗП в ЛГ (в этом случае, как показано выше, обеспечивается высокая точность пеленгования ИЗ), приведена на фиг.13, что соответствует фиг.4, приведенной на стр.17 прототипа [14]. Состав и назначение устройств, входящих в эту схему, следующее: звукоприемники (ЗП) 1...42, каждый из которых включает в себя электретный микрофон, предварительный усилитель микрофонного сигнала, фильтр нижних частот (ФНЧ) и источник постоянного тока, помещенные в куполообразный ветрозащитный корпус, в верхней части которого вмонтирован шаровой уровень, позволяющий устанавливать рабочие оси микрофонов вертикально (это обеспечивает круговую НХН их в горизонтальной плоскости). ЗП 1...40 решают следующие задачи: принимают акустические сигналы и помехи из окружающего пространства; преобразуют их в электрические сигналы и помехи; выделяют эти сигналы из указанной смеси сигналов и помех; ослабляют влияние ветровых помех, предотвращают попадание влаги к их устройствам и передают сигналы, а также помехи, амплитудный спектр которых одинаков с амплитудно-частотной характеристикой ФНЧ, в резонансные усилители (РУ). Звукоприемники фронтальный 41 и тыловой 42 по своему составу аналогичны остальным, но корпус у них одинаков с корпусом ЗП, например, звукометрической стации СЧЗ - 6 [3, см. стр.83] или СЧЗ - 6М. ЗП 41 и 42 располагаются относительно ЛГ так, как показано на фиг.11. Рабочие оси этих ЗП располагаются горизонтально, а рабочий лепесток (больший лепесток) НХН ЗП 41 располагается в направлении РОВ ( в сторону фронта), а - ЗП 42 - в сторону своих войск (в тыл). НХН этих ЗП представлена фиг.10. Это обеспечивает прием АС, попавших в рабочий сектор с фронта, и не допущение в КОС акустических помех, образующихся при залпах артиллерийских батарей наших войск, поступающих с тыла. Особенность их назначения перед другими ЗП состоит в том, что ЗП 41 передает сигнал на триггер Шмитта 61, а ЗП 42 - на триггер Шмитта 63. ЗП 1,ЗП 20, ЗП 21 и ЗП 40 подают свои сигналы и на РУ 45. ЗП 1...ЗП 20 и ЗП 21...ЗП 40 образуют 1 и 2 ЛГ соответственно, что обеспечивает узкие НХН и, следовательно, высокую помехозащищенность пеленгатора за счет пространственной селекции ИЗ (целей), см. фиг.9.

РУ 43, 44, 46 (их по 20 штук в каждом блоке), каждый из которых включают в себя коммутатор на 2 входа и 1 выход, который подключен к одному из входов РУ, и сам РУ (избирательный усилитель (ИУ), с центральной частотой полосы пропускания f ₀, равной например 20 Гц; в РУ 43 эта частота равна f ₁. РУ 45 содержит только 4 ИУ, которые не имеют коммутатора на входе; их центральная частота полосы пропускания также равна f₀. ИУ РУ 1 и 2 каналов 44 и 46 предназначены для выделения гармоники с частотой f₀ из амплитудного спектра электрических сигналов и помех, поступающих с ЗП 1...20 1 ЛГ и с ЗП 21...40 2 ЛГ, после прихода импульса положительной полярности с одновибратора 62 (селекторного импульса) и подачи ее на соответствующие сумматоры напряжений 48, 49. РУ 43 предназначен для выделения гармоники с частотой f ₁ из амплитудного спектра электрических сигналов и помех, поступающих с ЗП 1...20 1 ЛГ, и подачи ее на сумматор напряжений канала частоты f₁ 47 после прихода импульса положительной полярности с одновибратора 62. Канал частоты f ₁ совместно с двумя остальными каналами обеспечивает определение дальности до ИЗ. Назначение его устройств и работа подробно рассмотрены в [13] и поэтому подробности здесь не рассматриваются.

Резонансные усилители 45 предназначены для выделения основной гармоники с частотой f₀ из амплитудного спектра электрических сигналов и помех, поступающих с ЗП 1, 20, 21, 40, и подачи ее на устройства формирования импульсов 59 после прихода АС к соответствующему ЗП.

Сумматоры напряжений канала частоты f₁ 47, 1 канала 48, 2 канала 49 имеют по 20 входов и 1 выходу. Они предназначены для суммирования соответствующих напряжений и подачи их на амплитудные детекторы (АД) в период действия селекторного импульса.

Амплитудные детекторы 50...52 определяют наибольшие амплитуды напряжений суммарных сигналов в своих каналах обработки, преобразуют их в постоянные напряжения и подают их на соответствующие 8-разрядные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 53...55 своих каналов.

Последние преобразуют постоянные напряжения, несущие информацию о вышеуказанных амплитудах напряжений в цифровой код и передают ее в соответствующие регистры.

Регистры канала частоты f₁ 56, 1 канала 57, 2 канала 58 построены на основе триггеров, имеют один вход и 8 выходов. Регистр канала частоты f₁ 56 служит для регистрации величины напряжения и ввода ее в ЭВМ 60. Регистр 1 канала 57 служит для регистрации величины напряжения U₁ и ввода ее в ЭВМ 60. Регистр 2 канала 58 служит для регистрации величины напряжения U₂ и ввода ее в ЭВМ 60.

Устройства формирования импульсов 59 включают в себя 4 канала обработки АС. Каналы обработки АС включают в себя: триггеры Шмитта 65...68; одновибраторы 69...72.

Триггеры Шмитта предназначены для формирования остроконечных треугольных импульсов из соответствующих гармонических и квазигармонических электрических сигналов.

Одновибраторы 62, 64 представляют из себя заторможенные мультивибраторы. Одновибратор 62 предназначен для формирования прямоугольных импульсов положительной полярности длительностью 0,5 с и подачи его на 1 основной и 1 управляющий входы коммутаторов РУ 43, 44 и 46.

Одновибратор 64 предназначен для формирования прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности длительностью 2 с. Причем импульс положительной полярности подается на 2 управляющий входы коммутаторов РУ 43, 44 и 46, а импульс отрицательной полярности подается на 2 основной входы коммутаторов РУ 43, 44 и 46.

Одновибраторы 69...72 представляют из себя заторможенные мультивибраторы и предназначены для формирования прямоугольных импульсов положительной полярности длительностью 1 с, подаваемых в ЭВМ 60.

ЭВМ 60 (см. фиг.13) решает следующие задачи: рассчитывает пеленги ИЗ, используя алгоритм их расчета, представленный выше, и текст программы, представленный в приложении 2; рассчитывает удаления источника АС от пеленгатора, используя алгоритм их расчета и текст программы, представленные в приложении 2 работы [14]; определяет времена прихода сигналов (T₁, Т ₂, Т₃, Т₄), определяющие принадлежность источника АС рабочему сектору акустической антенны; вырабатывает тактовые импульсы, импульсы "Чтение" и "Сброс", обеспечивающие работу регистров канала частоты f₁ 56, 1 и 2 каналов; присваивает номер цели (источнику АС), фиксирует астрономическое время проявления этой цели, рассчитывает ее прямоугольные топографические координаты х_ц, у_ц, используя алгоритм их расчета, представленный выше, и текст программы, представленный в приложении 2 работы [14]; передает эти данные на командный пункт артиллерийского дивизиона.

Триггеры Шмитта 61 и 63 предназначены для формирования остроконечных треугольных импульсов из соответствующих гармонических и квазигармонических электрических сигналов, поступающих с ЗП фронтального 41 и ЗП тылового 42 соответственно, и подачи их на одновибраторы 62 и 64.

Одновибраторы 62 и 64 представляют из себя также заторможенные мультивибраторы. Одновибратор 62 вырабатывает селективный импульс, поступающий на первый и управляющий входы коммутатора длительностью 0,5 с. Одновибратор 64 вырабатывает прямоугольный импульс отрицательной полярности, поступающий на второй вход коммутатора длительностью 2 с, а также на вход инвертора.

Предлагаемое устройство работает следующим образом: при приеме АС из рабочего сектора пеленгатора звуковая волна достигает, например, ЗП 1, последний преобразует этот АС в электрический сигнал (ЭС) и подает его на 1 ИУ блока РУ 45, с выхода этого усилителя сигнал поступает на триггер Шмитта 65, последний сформирует из этого ЭС импульсы треугольной формы, поступающие на одновибратор 69. Первый из этих импульсов вызовет формирование этим одновибратором прямоугольного импульса положительной полярности длительностью 1 с, который поступит в ЭВМ. Последняя зафиксирует время Т ₁. При поступлении АС к ЗП 2, ЗП 3 и т.д. последние преобразуют этот АС в ЭС и подают их на 1 входы соответствующих коммутаторов, но далее эти ЭС не пройдут, т.к. в это время на коммутаторы не поступает селекторный импульс. С приходом АС к ЗП 21 преобразует его в ЭС и подает его на 1 ИУ блока РУ 46, с выхода этого усилителя сигнал поступает на триггер Шмитта 67, последний сформирует из этого ЭС импульсы треугольной формы, поступающие на одновибратор 71. Первый из этих импульсов вызовет формирование этим одновибратором прямоугольного импульса положительной полярности длительностью 1 с, который поступит в ЭВМ. Последняя зафиксирует время Т ₂.

Аналогичные процессы произойдут в пеленгаторе при приеме АС ЗП 20 и 40. В результате произойдет фиксирование ЭВМ времен Т₃ и Т₄ .

При поступлении АС к ЗП фронтальному 41 на его выходе сформируется ЭС, который поступит на триггер Шмитта, последний сформирует последовательность импульсов треугольной формы, первый из которых вызовет срабатывание одновибратора 62. Он сформирует селекторный импульс, который поступит на 1 и управляющий входы всех коммутаторов РУ 43, 44 и 46, в результате чего все ИУ этих блоков РУ выделят на время 0,5 с и усилят ЭС, которые поступят на соответствующие сумматоры напряжений 47...49. Последние сформируют соответствующие суммарные ЭС, которые поступят на свои АД. Они преобразуют наибольшие амплитуды суммарных ЭС в постоянные напряжения, которые поступят на свои АЦП 53...55. Последние преобразуют их в двоичный код и передадут эту информацию в соответствующие регистры 56...58, а затем в ЭВМ. Таким образом, информация об амплитудах U₁, U₂ и поступит в ЭВМ, где в соответствии с представленным выше алгоритмом будут рассчитаны вышеназванные величины.

При поступлении АС к ЗП тыловому 42 на его выходе сформируется ЭС, который поступит на триггер Шмитта, последний сформирует последовательность импульсов треугольной формы, первый из которых вызовет срабатывание одновибратора 64. Он сформирует 2 импульса, отрицательной и положительной полярности длительностью 2 с. Импульс положительной полярности поступит на 2 управляющий вход всех коммутаторов РУ 43, 44 и 46, а отрицательной полярности - на 2 основной вход всех этих коммутаторов. В результате чего все ИУ этих блоков РУ будут закрыты на время 2 с, поэтому на сумматоры напряжений сигналы поступать не будут.

При отсутствии АС на входах ЗП все ИУ РУ 43, 44 и 46 закрыты, т.к. коммутаторы их отключают от своих входов.

При поступлении АС с тыла он достигает сначала ЗП тылового 42, который обеспечивает формирование 2 вышеуказанных импульсов, что в конечном счете закрывает ИУ всех РУ на время 2 с. Поэтому при прохождении этого сигнала через ЗП ЛГ их сигналы не поступают в ИУ РУ.

При поступлении АС из направлений вне сектора разведки обработка сигнала будет производится по всем 3 каналам, но определение пеленгов источников АС, дальностей до них и их топографических координат производится не будет, т.к. не будут выполняться условия, описанные в АВ (3).

Техническая реализация вышеназванного способа возможна, что покажем ниже.

ЗП 1...40 при пеленговании стреляющих артиллерийских орудий, минометов, разрывов снарядов, боевых частей ракет и мин могут представлять собой звукоприемники (приборы Пр-2), используемые в автоматизированных звукометрических комплексах АЗК-5 [22], но с микрофонами МКЭ - 389.

ЗП 41, 42 по своему составу аналогичны ЗП 1...40, но микрофоны у них типа МКЕ 802 [20, с.126], КМКЭ-1 [20, с.130] или КМС-19-03 (ветрозащитный) [20, с.130].

В качестве коммутаторов, имеющихся в РУ 43, 44, 46, можно использовать четырехканальные коммутаторы, например, К190КТ2, описанные в [23, с.105, 106].

В качестве ИУ, имеющихся в РУ 43-46, можно использовать, например, ИУ на операционном усилителе (ОУ) с двойным Т-образным мостом. [24, с.167, 168]

В качестве сумматоров напряжений 47-49 можно использовать устройства на основе операционного усилителя [25, с.213, 214].

В качестве амплитудных детекторов можно применить, например, простой детектор видеоимпульсов [26, с.253, 254].

В качестве АЦП можно использовать К572ПВЗ или К572ПВ4 [23, с.110].

В качестве регистров можно использовать, например, 8-разрядный сдвигающий регистр К555ИР8 [23, с.117].

В качестве ЭВМ 60 целесообразно использовать Pentium IV 1700 MHz/512 Mb DDR/60 Gb HDD 7200 rpm.

В качестве триггеров Шмитта 61, 63, 65-68 можно использовать, например, интегральные микросхемы К118ТЛ1А и ее модификации [27, с.39] или устройства на основе ОУ, описанные в [24, с.186].

В качестве одновибраторов 62, 64, 69-72 целесообразно использовать, например, интегральные микросхемы К224АГ2 [24, с.192-194] или К155АГ3 [24, с.116].

Таким образом, вышеуказанные устройства пеленгатора технически реализуемы.

Источники информации

1. Таланов А.В. Звуковая разведка артиллерии, - М.: Воениздат министерства вооруженных сил Союза ССР, 1948. - 400 с.

2. Таланов А.В. Артиллеристская звуковая разведка. - М.: Воениздат, 1957. - 350 с.

3. Сергеев В.В. Основания устройства и элементы проектирования звукометрической аппаратуры. - Пенза: ПВАИУ, 1964. - 143 с.

4. Автоматизированный звукометрический комплекс АЗК - 5. (Изделие 1Б17) Техническое описание. БМ, 1977.

5. Автоматизированный звукометрический комплекс АЗК - 7. Техническое описание. БМ, 1987.

6. Патент США №3042897, кл.340 - 6. Гидроакустический пеленгатор. Опубликован в 1962 г. Бюллетень №20, 1962.

7. Авторское свидетельство на изобретение №245909. Способ измерения скорости и направления ветра. /Теплухин В.А., Шмелев В.В./. Приоритет изобретения 18.12.85 г.

8. Патент ФРГ №1807535, кл. G01S. Акустический пеленгатор. Опубликован в 1970 г. Бюллетень №24.

9. Патент ФРГ №2027940, кл. G01S 3/80. Акустический пеленгатор. Опубликован в 1977 г. Бюллетень №7.

10. Патент РФ №2138059, кл. G01S 3/00, 3/80, 15/08. Акустический пеленгатор /Волощенко В.Ю./ Опубликован 20.09.1999 г. Бюллетень №26.

11. Патент РФ №2048678, кл. G01S 3/80. Пеленгатор источников акустических излучений. /Хохлов В.К. и др./. Опубликован 20.11.1995 г.

12. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. - Л.: Судостроение, 1982. - 200 с.

13. Патент РФ №2274873, кл. G01S 3/00. Акустический пеленгатор /Шмелев В.В., Шмелев С.В., Акиншин Н.С., Патриков О.А./. Приоритет изобретения 9.02.2004 г.

14. Патент РФ №2276383, кл. G01S 3/00. Способ измерения дальности до источника звука /Шмелев В.В., Шмелев С.В., Акиншин Н.С., Патриков О.А. Приоритет изобретения 9.02.2004 г. Прототип.

15. Вахитов Я.Ш. Теоретические основы электроакустики и электроакустическая аппаратура. - М.: Искусство, 1982. - 600 с.

16. Справочник по основам радиолокационной техники. Под ред. В.В.Дружинина. - М.: Воениздат, 1967. - 768 с.

17. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке бейсик для персональных ЭВМ. - М.: Наука, 1987. - 240 с.

18. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. - М.: Наука, 1964. - 608 с.

19. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. - 480 с.

20. Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике. - М.: Связь, 1979. - 312 с.

21. Перископическая артиллерийская буссоль ПАБ 2А. Руководство службы. - БМ, 1980. - 20 с.

22. Система С-1. Альбом электрических принципиальных схем. - БМ, 1980.

23. Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база. Книга I. - М.: Итар-ТАСС, 1993. - 157 с.

24. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1992. - 496 с.

25. Павлов В.Н. Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.: Горячая линия Телеком, 2001. - 320 с.

26. Теория и расчет основных радиотехнических схем на транзисторах. - М.: Связь, 1964. - 456 с.

27. Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схемы: Справочник. - Минск: Беларусь, 1993. - 382 с.

Приложение 1. Автоматический расчет ширины нормированной характеристики направленности линейной группы звукоприемников на уровне 0,5 и угла смещения ее рабочей оси относительно равносигнального направления модифицированным методом Ньютона.

Исходные данные для расчета

Вариант 1 n:=20 - число звукоприемников (ЗП) в каждой линейной группе (ЛГ);

х:=0.921 - отношение расстояния между рабочими осями соседних ЗП к длине волны акустического сигнала;

:=0.0000001 рад - приращение угла в горизонтальной плоскости между направлением: точка пересечения 1 и 2 ЛГ ЗП - ИЗ и произвольным направлением за одну итерацию;

R:=0.5 - значение нормированной характеристики направленности (НХН) ЛГ ЗП, равное 0,5;

:=0.01 рад - модуль начальной разницы углов ₂ и ₁;

₁:=-0.032 рад - приближенное значение угла, снятое с графика НХН фиг.2.

Текст программы расчета

Рассчитанное окончательное значение угла , при котором НХН ЛГ ЗП равна 0,5 (-0.032)=-0.0327913 рад.

Расчет ширины ХН ЛГ ЗП на уровне 0,5 _0.5:=2·| (-0.032)|

_0.5=0,0655825 рад - ширина ХН ЛГ ЗП на уровне 0,5.

Расчет угла смещения рабочих осей ХН ЛГ ЗП относительно равносигнального направления (РСН).

_с:=0.3· _{0.5 c}= рад - угол смещения рабочих осей ХН ЛГ ЗП относительно РСН.

Вариант 2. Измененные исходные данные для расчета n:=10 х:=0.84 ₁:=-0.072 рад - приближенное значение угла, снятое с графика НХН фиг.6;

Текст программы расчета

Рассчитанное окончательное значение угла , при котором НХН ЛГЗП равна 0,5.

(-0.072)= , рад.

Расчет ширины ХН ЛГ ЗП на уровне 0,5

0.5:=2·| (-0.72)|

0.5= рад - ширина ХН ЛГ ЗП на уровне 0,5.

Расчет угла смешения рабочих осей

_с:=0.3· _0.5

_c= рад - угол смещения рабочей оси ХН ЛГ ЗП относительно РСН.

Приложение 2. Автоматический расчет пеленга источника звука модифицированным методом Ньютона с использованием прикладной программы " Mathcad 2001i Professional".

Вариант 1. Исходные данные для расчета

_с:=0.01967 рад - угол смещения рабочих осей характеристик направленности линейных групп (ЛГ) звукоприемников (ЗП) относительно равносигнального направления;

f ₀:=20 Гц - рабочая частота пеленгатора;

n:=20 - число ЗП в каждой ЛГ;

t:=5 Градус Цельсия - температура воздуха в приземном слое атмосферы;

d:=15.62 м - расстояние между рабочими осями соседних ЗП ЛГ;

W:=5 м/с - скорость ветра в приземном слое атмосферы;

:=0 рад - разность между дирекционными углами ветра и направлением точка пересечения ЛГ ЗП - источник звука (ИЗ);

:=0.0000001 рад - приращение пеленга ИЗ;

Текст программы расчета

Результаты расчета пеленгов ИЗ при ряде значений _ср следующие:

₂(-0.50597)=-0.02019 рад;

₂(-0.24311)=-0.01 рад;

₂(0)=0 рад;

₂(0.24311)=0.01 рад;

₂(0.50597)=0.02019 рад.

Вариант 2. Измененные исходные данные для расчета, т.к.число ЗП в каждой ЛГ по 10 штук.

_с:=0.0432927 рад - угол смещения рабочих осей характеристик направленности ЛГ ЗП относительно равносигнального направления;

n:=10 - число ЗП в каждой ЛГ;

d:=14.24 м - расстояние между рабочими осями соседних ЗП ЛГ.

Текст программы расчета (аналогичен вышеуказанному)

Результаты расчета пеленгов ИЗ в радианах при ряде значений _ср следующие:

₂(-0.6)=-0.05204; ₂(-0.5)=-0.04394; ₂(-0.4)=-0.03561; ₂(-0.3)=-0.02703; ₂(-0.2)=-0.01819; ₂(-0.1)=-9.15412×10 ^-3; ₂(0)=0; ₂(0.1)=9.15412×10 ^-3; ₂(0.2)=0.01819; ₂(0.3)=0.02703; ₂(0.4)=0.03561; ₂(0.5)=0.04394; ₂(0.6)=0.05204.

Приложение 3. Расчет зависимости статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 152 мм от его истинного пеленга методом статистических испытаний при классическом способе определения этого пеленга и 20 звукоприемниках в каждой линейной группе с использованием прикладной программы "Mathcad 2001i Professional".

Исходные данные для расчета

N:=100000 - число испытаний;

m_f0 :=20 Гц - МО рабочей частоты пеленгатора;

_f0:=0.1·m_f0 Гц - СКО рабочей частоты пеленгатора;

m _W:=5 м/с - МО скорости ветра в приземном слое атмосферы;

_W:=1 м/с - СКО скорости ветра в приземном слое атмосферы;

m :=0 рад - МО разности между дирекционными углами ветра и направлением: точка пересечения ЛГ ЗП-ИЗ;

:=0.01 рад - СКО разности между дирекционными углами ветра и направлением: точка пересечения ЛГ ЗП - ИЗ;

m _t:=5°С - МО температуры воздуха в приземном слое атмосферы;

_t:=1°С - СКО температуры воздуха в приземном слое атмосферы;

m_U0:=0.256 В - МО амплитуды напряжения на выходе АД 1 и 2 каналов при приеме АС на частоте f0 при нахождении ИЗ на рабочих осях НХН 1 и 2 ЛГ ЗП, если бы коэффициенты усиления (передачи) вышеназванных каналов были равны 1;

_U0:=0.1·m_U0 В - СКО амплитуды напряжения на выходе АД 1 и 2 каналов при приеме АС на частоте f0 при нахождении ИЗ на рабочих осях НХН 1 и 2 ЛГ ЗП, если бы коэффициенты усиления (передачи) вышеназванных каналов были равны 1;

m _.c:=0.01967 рад - МО угла смещения рабочих осей НХН 1 и 2 ЛГ ЗП относительно равносигнального направления;

_.с:=0.001553 рад - СКО угла смещения рабочих осей НХН 1 и 2 ЛГ ЗП относительно равносигнального направления;

k_у1:=10; k_у2:=10 - коэффициенты передачи (усиления) по напряжению сигнала частотой f0 1 и 2 каналов;

_И:=0 рад - истинный пеленг ИЗ;

m_Uш1:=0 В ; m_Uш2 :=0 В - МО напряжения шума 1 и 2 каналов обработки сигнала;

_Uш1:=0.01 В; _Uш2:=0.01 В-СКО напряжения шума 1 и 2 каналов обработки сигнала;

n:= 0 - число ЗП в каждой ЛГ ЗП;

m_d:=15.618 м - МО расстояния между рабочими осями соседних ЗП в ЛГ;

_d:=0.05 м - СКО измерения расстояний между рабочими осями соседних ЗП в ЛГ;

Формирование случайных чисел с равномерным законом распределения на интервале 0...1

Формирование случайных чисел с нормальным законом распределения на интервале 0...1

Текст программы

Расчет зависимости статистической оценки среднеквадратической ошибки определения пеленга источника звука при различных удалениях его от пеленгатора.

Удаление составляет 20 км

Удаление составляет 15 км

Удаление составляет 10 км

Удаление составляет 5 км

Построение графиков зависимости статистической оценки СКО пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 155 мм от его истинного пеленга при различных удалениях ее от пеленгатора

_и:=-0.0196,-0.0196+0.001...0.018 рад

Приложение 4. Расчет зависимости статистической оценки среднеквадратической ошибки пеленга выстрела самоходной гаубицы калибра 152 мм от его истинного пеленга методом статистических испытаний при суммарно-разностном способе определения этого пеленга и 20 звукоприемниках в каждой линейной группе с использованием прикладной программы "Mathcad 2001i Professional".

Исходные данные для расчета

N:=100000 - число испытаний;

M_f0:=20 Гц - МО рабочей частоты пеленгатора;

_f0:=0.1·m_f0 Гц - СКО рабочей частоты пеленгатора;

m _W:=5 м/с - МО скорости ветра в приземном слое атмосферы;

_W:=1 м/с - СКО скорости ветра в приземном слое атмосферы;

m :=0 рад - МО разности между дирекционными углами ветра и направлением: точка пересечения ЛГ ЗП-ИЗ;

:=0.01 рад - СКО разности между дирекционными углами ветра и направлением: точка пересечения ЛГ ЗП-ИЗ;

m _t:=5°С - МО температуры воздуха в приземном слое атмосферы;

_t:=1°С - СКО температуры воздуха в приземном слое атмосферы;

m_U0:=0.256 В - МО амплитуды напряжения на выходе АД 1 и 2 каналов при приеме АС на частоте f0 при нахождении ИЗ на рабочих осях НХН 1 и 2 ЛГ ЗП, если бы коэффициенты усиления (передачи) вышеназванных каналов были равны 1;

_U0:=0.1·m_U0 В - СКО амплитуды напряжения на выходе АД 1 и 2 каналов при приеме АС на частоте f0 при нахождении ИЗ на рабочих осях НХН 1 и 2 ЛГ ЗП, если бы коэффициенты усиления (передачи) вышеназванных каналов были равны 1;

m _.с:=0.01967 рад - МО угла смещения рабочих осей НХН 1 и 2 ЛГ ЗП относительно равносигнального направления;

_.c:=0.001553 рад - СКО угла смещения рабочих осей НХН 1 и 2 ЛГ ЗП относительно равносигнального направления;

k_у1:=10; k_у2:=10 - коэффициенты передачи (усиления) по напряжению сигнала частотой f0 1 и 2 каналов;

_и:= 0 рад" истинный пеленг ИЗ;

m_Uш1:=0 В; m_Uш2 :=0 В - МО напряжения шума 1 и 2 каналов обработки сигнала;

_Uш1:=0.01 В; _Uш2:=0.01 В - СКО напряжения шума 1 и 2 каналов обработки сигнала;

n:=20 - число ЗП в каждой ЛГ ЗП;

m_d:=15.618 м - МО расстояния между рабочими осями соседних ЗП в ЛГ;

_d:=0.05 м - СКО измерения расстояний между рабочими осями соседних ЗП в ЛГ;

Формирование случайных чисел с равномерным законом распределения на интервале 0...1

Формирование случайных чисел с нормальным законом распределения на интервале 0...1

Текст программы

Расчет зависимости статистической оценки среднеквадратической ошибки определения пеленга источника звука при различных удалениях его от пеленгатора.

Удаление составляет 20 км

Удаление составляет 15 км

Удаление составляет 10 км

Удаление составляет 5 км