Охотский Бастион. Часть V. «Алария». Акустические ворота.

К началу 2000-х годов сокращение и быстрое старение противолодочных сил флота всё сильнее ставило под вопрос устойчивость морской компоненты российских СЯС. Американские подводные лодки становились тише, их гидроакустика совершеннее, а количество сил, которыми Тихоокеанский флот мог постоянно контролировать Курильские проливы, наоборот, уменьшалось.

Ответом стало решение перенести значительную часть работы с кораблей на саму географию Охотского моря. Курильская гряда уже образовывала естественную границу «бастиона»; оставалось превратить наиболее пригодные для прохода подводных лодок проливы в постоянно контролируемые гидроакустические рубежи.

Программа получила название «Алария» — по роду бурых водорослей Alaria, распространённых в холодных водах Северного полушария. Образ оказался неожиданно точным: длинная гибкая пластина закреплена у дна и удерживается вертикально плавучестью, изгибаясь вместе с течением. Примерно так же должна была выглядеть в воде и сама гидроакустическая станция.

От радиобуя к стационарной сети

Идея дешёвого распределённого рубежа возникла не на пустом месте. Ещё в советское время на Дальнем Востоке проводились эксперименты, в которых авиационные радиогидроакустические буи РГБ-НМ «Чинара» и РГБ-НМ-1 «Жетон» вместо свободного дрейфа ставили на простейшие якоря. Использовались в том числе буи с истёкшими авиационными сроками хранения, а запас аппаратуры был подготовлен для двух полукольцевых барьеров [1].

В начале 2000-х эта идея получила совсем другой масштаб. Гидроакустическим исследованиям выделили значительно больше средств, а разработчики получили практически свободный доступ к ресурсам флота: кораблям и вспомогательным судам, полигонам, измерениям гидрологии, подводным лодкам и авиации в качестве реальных целей.

Первой естественной экспериментальной базой стала уже существовавшая на Камчатке стационарная антенна БГАС «Агам». Это была двухрядная плоская фазированная решётка длиной 102,5 м и высотой 16,8 м, площадью около 750 м², содержавшая 2400 гидрофонов; глубина установки достигала 350 м [2].

«Агам» давал великолепный материал для исследований, но одновременно показывал, каким новый рубеж быть не должен. Повторить вдоль Курильской гряды десятки сооружений длиной более ста метров было слишком дорого и сложно.

Гораздо интереснее выглядел американский опыт с радиогидроакустическим буем AN/SSQ-77 VLAD — Vertical Line Array DIFAR, то есть вертикальной линейной антенной DIFAR. Вместо большой плоской решётки использовалась короткая вертикальная цепочка всенаправленных гидрофонов. Формирование лучей позволяло подавлять низкочастотный шум, приходивший примерно с горизонта, прежде всего далёкое судоходство. Для VLAD указывался выигрыш порядка 10–15 дБ [3].

Расчёты коротких низкочастотных вертикальных антенн давали ещё один важный ориентир. Для глубокого и мелкого моря частота около 360 Гц оставалась близкой к оптимальной при уже вполне разумных размерах антенны. Для расчётной ВЛА шаг выбирался равным половине длины волны на верхней границе рабочего диапазона [4].

При эквивалентной частоте 360 Гц верхняя граница диапазона составляла около 540 Гц. Длина волны в воде на этой частоте — примерно 2,8 м, а половина длины волны — около 1,4 м. Девять элементов при таком шаге давали антенну длиной примерно 11 м.

Для «Аларии» минимальным вариантом ограничиваться не стали. Гидрофоны и электронные каналы были значительно дешевле донного кабеля, лебёдки, постановки и обслуживания всей станции. Поэтому серийная ВЛА получила 32 гидрофона с шагом 1,4 м. Расстояние между крайними элементами составило:

31 × 1,4 = 43,4 м.

Получилась всё ещё небольшая по сравнению с «Агамом», но уже весьма длинная низкочастотная антенна.

Небольшая гидроакустическая справка

Чем длиннее антенна, тем заметнее разница во времени прихода одной и той же звуковой волны к её разным гидрофонам. По этой разнице система может формировать узкий луч: сигналы с выбранного направления складываются, а приходящие с других углов частично подавляются. Это позволяет усилить полезный сигнал относительно помех, ослабив сигналы, приходящие с других направлений. Таким образом, ВЛА хорошо отделяет отражённый от подводной лодки сигнал от поверхностного шума и донной или поверхностной реверберации.

К началу 2000-х к этому добавилось ещё одно принципиальное преимущество — цифровая обработка. В «Аларии» каждый гидрофон имел собственный малошумящий предусилитель, фильтр и 24-разрядный АЦП. Подобная подводная оцифровка уже была вполне освоенной технологией: в 2005 году серийный морской сейсмический стример GeoEel использовал 24-разрядную оцифровку непосредственно в воде, а специализированные цифровые вертикальные гидрофонные системы строились по схеме «гидрофон + 24-разрядный сигма-дельта АЦП» для каждого канала [5][6].

На обработку поэтому поступали синхронные записи всех 32 элементов, а не уже сформированный аналоговой аппаратурой единственный луч. Процессор мог одновременно рассчитывать целый веер виртуальных лучей, перекрывавших интересующий сектор вертикальных углов. Кратковременный сигнал не терялся из-за того, что в этот момент система «смотрела» в другое направление. Более того, исходные записи гидрофонов сохранялись: подозрительный эпизод можно было впоследствии обработать заново с другой диаграммой направленности или другими фильтрами.

Гидрофонный канал сохранял полосу примерно до 3 кГц. Вся 43-метровая ВЛА использовала для однозначного пространственного формирования прежде всего низкочастотную часть — примерно до верхней рабочей границы около 540 Гц. Более высокие частоты оставались полезны для спектрального анализа самого шума: гармоник механизмов, винтов и других признаков цели.

Станция, которая знает свою глубину

Физически «Алария» получилась столь же простой, как и её акустическая идея.

На дне находился тяжёлый якорь. От него вверх шёл несущий трос к плавучей подводной лебёдке, выше которой располагалась 43-метровая ВЛА. Верхний поплавок поддерживал антенну в растянутом состоянии.

Силовой и волоконно-оптический кабель в эту несущую схему не входил. Он прокладывался отдельно и имел запас длины, достаточный для перемещения станции по вертикали без механической нагрузки на магистраль.

Лебёдка выбирала или выпускала трос между якорем и плавучей частью станции, поэтому вверх или вниз перемещалась вся приёмная антенна. Это позволяло держать её не на однажды выбранной глубине, а на наиболее выгодном в данный момент акустическом горизонте.

Вдоль ВЛА располагались датчики температуры и давления, а в нескольких точках — электропроводности воды. По температуре, солёности и давлению система рассчитывала местную скорость звука. Датчики давления одновременно показывали фактическую глубину разных частей антенны и позволяли учитывать её изгиб течением при формировании лучей.

При изменении глубины «Алария» фактически превращалась в профилометр толщи воды. Поднимаясь или опускаясь, она регистрировала изменение температуры, электропроводности и давления и тем самым регулярно обновляла профиль скорости звука. Особенно важным это становилось летом, когда положение и выраженность термоклина могли существенно изменить условия распространения.

Лебёдка одновременно упрощала обслуживание: при необходимости ВЛА можно было поднять к поверхности, после чего её можно было принять на борт обслуживающего судна без работы у донного якоря.

От одной «Аларии» к пятёрке

У вертикальной линии было фундаментальное ограничение. Она хорошо различала вертикальный угол прихода звука, но не могла определить горизонтальный азимут. Одиночная «Алария» могла обнаружить необычный подводный шум, исследовать его спектр и определить вертикальный угол его прихода, но сама по себе не могла показать положение источника на карте.

Раз одиночная вертикальная линия не давала горизонтального пеленга, координаты цели определялись уже всей группой.

Все станции имели общую синхронизацию времени. Один и тот же фрагмент шума подводной лодки приходил на разные ВЛА с небольшой задержкой. По корреляции сигналов определялась разность времени прихода, а через неё — разность расстояний от цели до приёмников.

Три пространственно разнесённые станции уже давали минимальный набор измерений, позволяющий получить положение источника на плоскости. Но строить постоянно действующий рубеж на математическом минимуме не стали.

Штатной единицей стала пятёрка «Аларий» — тройка с двойным резервом.

При исправности всех пяти система получала дополнительные измерения, могла усреднять ошибки и отбрасывать сомнительные или многолучевые приходы. При выходе из строя одной станции полноценная геометрия сохранялась с большим запасом. При отказе двух оставалась минимальная рабочая тройка.

У линейной антенны возникает неприятная зеркальная неоднозначность: одному набору измеренных задержек могут соответствовать два симметричных направления на цель. Однако в случае «Аларии» реальный рельеф дна и неизбежный поперечный разброс точек постановки на десятки метров разрушали эту симметрию и даже улучшали условия локализации.

Фактическое положение станций при этом не определялось только первоначальными данными постановки. Активные источники имели известные координаты и известный момент начала посылки. Каждая «Алария» принимала их прямой сигнал. По времени его прихода, измеренной глубине станции и известному местному профилю скорости звука вычислялась акустическая дальность до излучателя. Два разнесённых источника давали две такие дальности, позволяя регулярно уточнять действительное положение ВЛА и учитывать её смещение течением.

Пять плюс пять плюс два

Базовой секцией рубежа в итоге стала схема 5+5+2: две пятистанционные группы приёмных «Аларий» и два резервирующих друг друга активных источника.

Деление десяти приёмников на две пятёрки было прежде всего функциональным. Пятёрка являлась минимальной штатной отказоустойчивой группой, но центральный вычислительный комплекс использовал любые исправные станции, на которых в данный момент имелся качественный контакт.

Два активных источника появились по той же причине, что четвёртая и пятая ВЛА в приёмной группе. Единственный излучатель превращал бы всю активную часть секции в единую точку отказа.

Поэтому источники были полностью независимыми: отдельные донные якоря, несущие тросы, плавучие лебёдки, силовая электроника и излучающие антенны. Горизонтально они располагались сравнительно близко и для общей геометрии рубежа образовывали одну область, но повреждение одного поста не затрагивало второй.

По глубине их, наоборот, старались разнести. Собственные лебёдки позволяли держать один источник, например, выше выраженного термоклина, другой — ниже него, либо выбирать два других наиболее выгодных горизонта по фактически измеренной гидрологии.

Каждый источник состоял из четырёх низкочастотных гидроакустических излучателей, расположенных вертикально с шагом около 2 м. Общая апертура составляла примерно 6 м. Отдельные элементы имели широкую горизонтальную диаграмму, а их согласованная фазированная работа позволяла сузить излучение в вертикальной плоскости и несколько изменять его наклон, не расходуя значительную часть энергии в поверхность и дно.

При выборе параметров ориентиром служили уже существовавшие низкочастотные активные системы. Американский SURTASS LFA использовал вертикальную линию до 18 излучающих элементов в диапазоне 100–500 Гц; для отдельного элемента ВМС США указывают уровень источника около 215 дБ re 1 µPa @ 1 м. Типичная последовательность излучения длилась десятки секунд, а между передачами проходили минуты [7].

Опубликованные испытания одного штатного LFA-излучателя ещё нагляднее показывали масштаб силовой части: элемент работал в диапазоне 170–320 Гц, питался напряжением 1600 В от двух усилителей S11-48 и давал приблизительно 215 дБ re 1 µPa @ 1 м [8]. Сам усилитель S11-48 имел паспортную импульсную мощность 24 кВА на канал, непрерывную 10,8 кВт и выходные напряжения до 2,5 кВ [9].

У «Аларии» расчётный эффективный уровень всей четырёхэлементной решётки в основном вертикальном лепестке составлял около 217 дБ re 1 µPa @ 1 м. Пиковая электрическая мощность — порядка 40 кВт, длительность основной посылки — 10 секунд.

Передавать такие 40 кВт постоянно по многокилометровому кабелю не требовалось. Возле каждого источника находился высоковольтный конденсаторный накопитель, который медленно заряжался от кабельной сети и отдавал накопленную энергию во время посылки.

Для одного источника десятисекундная передача раз в 200 секунд соответствовала коэффициенту заполнения 5% и средней электрической мощности около 2 кВт. Два источника одной секции работали поочерёдно с интервалом 100 секунд, поэтому средняя мощность активной части секции составляла около 4 кВт. В промежутках могли работать источники на противоположной стороне пролива.

С учётом приёмных станций, связи, преобразователей и потерь среднее питание полной секции оставалось величиной порядка нескольких киловатт, тогда как кратковременная пиковая мощность создавалась локально.

Активный и пассивный режимы дополняли друг друга.

Все десять ВЛА при этом непрерывно работали и в пассивном режиме. Со временем система накапливала собственную статистику конкретного пролива: обычные маршруты надводных судов, постоянные источники шума, сезонный фон, изменения гидрологии. Необычный сигнал выделялся уже не на фоне некоторого абстрактного «шума моря», а относительно хорошо известной нормальной акустической картины данного места.

Акустические ворота

Одна секция контролировала свой участок пролива. На широких проходах две секции размещались с противоположных сторон, превращая пространство между ними в то, что в документах программы быстро стали называть «акустическими воротами».

В обычном активном режиме система работала на отражение. Известная посылка одного из источников проходила через пролив, отражалась от корпуса цели и принималась сразу несколькими разнесёнными ВЛА. Получалась не классическая схема «излучатель рядом с приёмником», а распределённая бистатическая и мультистатическая система: источник был один, а отражение рассматривалось сразу с нескольких точек.

Но была и вторая геометрия — работа на просвет.

Излучатель одной стороны и приёмные станции другой образовывали акустическую линию через пролив. Подводная лодка, пересекавшая эту линию, попадала в область прямого распространения между передатчиком и приёмником. Возникали переднее рассеяние, акустическая тень и кратковременное изменение устойчивой структуры прямого сигнала. Сам принцип обнаружения цели при пересечении линии «источник — приёмник» хорошо известен для бистатической гидроакустики; главная проблема такого режима — отделить сравнительно слабое возмущение от значительно более мощного прямого сигнала [10].

Для стационарного рубежа здесь было важное преимущество: прямой путь между неподвижными источниками и приёмниками наблюдался постоянно. Система знала его обычную структуру и могла искать именно кратковременные нарушения этой структуры.

Так две секции превращались уже не просто в несколько ГАС, а в постоянно действующие акустические ворота.

Буссоль

Наиболее наглядным примером стал пролив Буссоль.

В выбранном створе расстояние между краями составляло около 61 км, но центральная подводная возвышенность позволяла разделить его почти пополам — примерно на участки по 30 и 31 км.

На обеих сторонах разместили по полноценной секции 5+5+2. На разных склонах центральной возвышенности поставили ещё две пятёрки приёмных «Аларий» без собственных активных источников.

Схема приобрела вид:

5+5+2 — ~30 км — 5+5 — ~31 км — 5+5+2.

Всего Буссоль получила 30 приёмных ВЛА и четыре активных источника.

Центральные станции были здесь гораздо важнее простого увеличения числа гидрофонов. Они делили широкое пространство на две акустические области. Даже если от берегового источника до лодки оставалось 25–30 км, второе плечо бистатического пути от лодки до ближайших центральных ВЛА могло составлять всего несколько километров.

Одновременно появлялись два сравнительно коротких режима работы на просвет: от источников одной стороны до центральной группы и от источников другой стороны до второй центральной группы.

Связь непосредственно через все 61 км пролива также оставалась возможным дополнительным каналом при удачной гидрологии, но работоспособность рубежа от неё не зависела. Основная геометрия уже состояла из двух ворот примерно по 30 км.

При этом устанавливать активную аппаратуру в самой глубокой части пролива не требовалось. Приёмные станции размещались на подходящих склонах возвышенности, а через глубоководную часть проходила только кабельная трасса.

Главное — увидеть проход

«Аларии» не требовалось узнать точный проект американской лодки или непрерывно сопровождать её после входа в Охотское море.

Задача рубежа была проще и одновременно важнее: надёжно установить сам факт пересечения пролива подводной целью.

Пассивная сеть обнаруживала необычный шум на фоне уже известной акустической обстановки. Несколько ВЛА по задержкам одного и того же сигнала определяли район и параметры движения источника. Активный режим давал независимое подтверждение по отражению. Работа на просвет фиксировала непосредственное пересечение линии между источником и приёмниками.

Одно измерение могло быть сомнительным. Несколько пространственно разнесённых ВЛА, два акустических горизонта и одновременно пассивная, отражательная и просветная геометрия оставляли значительно меньше пространства для случайности.

Подводной лодке не требовалось быть хорошо видимой постоянно.

Ей достаточно было один раз пересечь акустические ворота.

Источники

[1] Мемуарное свидетельство об использовании РГБ-НМ «Чинара» и РГБ-НМ-1 «Жетон» на якорях, подготовке двух полукольцевых барьеров и применении буёв с истёкшими авиационными сроками хранения.
https://www.universalinternetlibrary.ru/book/111429/chitat_knigu.shtml

[2] «Приемные гидроакустические антенны современных стационарных…» — параметры БГАС «Агам»: 102,5 × 16,8 м, 2400 гидрофонов, площадь решётки 750 м², установка до 350 м.
https://cyberleninka.ru/article/n/14848275.pdf

[3] Roger A. Holler. The Evolution of the Sonobuoy from World War II to the Cold War, U.S. Navy Journal of Underwater Acoustics, 2014 — AN/SSQ-77 VLAD и выигрыш вертикальной решётки порядка 10–15 дБ.
https://varenvliegenmeten.nl/assets/files/OntwikkelingSonoboeien.pdf

[4] «Есть ли в России современное гидроакустическое вооружение? Часть 6» — расчёты коротких ВЛА, девятиэлементная решётка, шаг λ/2 на верхней частоте и оценка 360 Гц как частоты, близкой к оптимальной при приемлемой длине антенны.
https://vpk.name/news/114001_est_li_v_rossii_sovremennoe_gidroakusticheskoe_vooruzhenie_chast_6.html

[5] Geometrics GeoEel, 2005 — коммерческий 24-разрядный цифровой морской стример с оцифровкой непосредственно в воде, до 240 каналов.
https://www.hydro-international.com/content/news/geometrics-introduces-new-digital-seismic-streamer

[6] High Tech Inc. Digital Array System — вертикальная цифровая гидрофонная антенна до 96 каналов; отдельный гидрофонный узел с 24-разрядным Delta-Sigma АЦП, полоса 2–3000 Гц.
https://www.hightechincusa.com/products/dataacquisitionsystems/digitalarray.html

[7] U.S. Navy, SURTASS LFA — официальное описание: вертикальная излучающая линия до 18 элементов, диапазон 100–500 Гц, около 215 дБ re 1 µPa @ 1 м на отдельный элемент, длительные посылки и интервалы в несколько минут.
https://www.nepa.navy.mil/Completed-Projects/SURTASS-LFA-Sonar/systems-description/

[8] A. N. Popper et al. Effects of surveillance towed array sensor system (SURTASS) low frequency active sonar on fish — один штатный LFA-излучатель, диапазон 170–320 Гц, питание 1600 В, уровень около 215 дБ re 1 µPa @ 1 м.
https://www.researchgate.net/publication/253210946_Effects_of_surveillance_towed_array_sensor_system_SURTASS_low_frequency_active_sonar_on_fish

[9] NAVSEA/NUWC Model S11-48 — усилитель, применявшийся с LFA: 24 кВА импульсной мощности, 10,8 кВт непрерывно на канал, выходные напряжения до 2500 В.
https://www.navsea.navy.mil/Portals/103/Documents/NUWC_Newport/SenecaLake/MODELS11specs.pdf

[10] J. Luo, C. Sun, M. Li. Range-Domain Subspace Detector in the Presence of Direct Blast for Forward Scattering Detection in Shallow-Water Environments, 2024 — обнаружение подводной цели при пересечении бистатической линии «источник — приёмник» по переднему рассеянию и возмущению прямого поля.
https://www.mdpi.com/2077-1312/12/10/1864