Морские информационно-управляющие системы. Декабрь 2015, № 2 (8) by Dimitry Lukash

Остров Русский – т ер р итория оп ережа ющего раз в и т и я

Репортаж с Дальнего Востока с. 24

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

АО «КОНЦЕРН «МОРИНСИС-АГАТ»

морские системы

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ

Межотраслевой корпоративный научно-технический журнал

редакционная коллегия:

ИЗДАТЕЛЬ:

АНЦЕВ Георгий Владимирович генеральный директор-генеральный конструктор АО «Концерн «Моринсис-Агат», член президиума Морской коллегии при Правительстве РФ, главный редактор

Акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат»

КОБЫЛЯНСКИЙ Валерий Владимирович заместитель генерального конструктора по инновационной политике АО «Концерн «Моринсис-Агат», заместитель главного редактора НОВИКОВ Евгений Станиславович главный конструктор направления АО «Концерн «Моринсис-Агат» БЕКИШЕВ Анатолий Тимофеевич генеральный директор-генеральный конструктор АО «НПП «Салют» БОНДАРЬ Михаил Владимирович главный научный сотрудник АО «ЦНИИ «Курс» ГОЛУБЕВ Анатолий Генадьевич доктор технических наук, АО «КГФИ» ГЛАДИЛИН Алексей Викторович директор института АО «АКИН» КОПАНЕВ Александр Алексеевич генеральный директор АО «НПФ «Меридиан» МАКЛАЕВ Владимир Анатольевич генеральный директор АО «НПО «Марс» НЕМЫЧЕНКОВ Владимир Сергеевич генеральный директор, председатель научно-технического Совета АО «Тайфун» ПИРОГОВ Всеволод Анатольевич первый заместитель директора института по научной работе АО «АКИН» ПРИХОДЬКО Иван Михайлович технический директор АО «НИИ «Атолл»

Колонка редактора Современный этап освоения Мирового океана значительно расширил спектр целей для создания подводных устройств и аппаратов. Проложены подводные трубопроводы и линии связи, эксплуатируются тысячи морских буровых платформ, ведется планомерное изучение океанического дна, разведка колоссальных минеральных и биологических ресурсов, идет поиск затонувших судов и подводных лодок, ликвидация чрезвычайных аварийных ситуаций и т. д. При этом обитаемые подводные аппараты стали далеко не основным инструментом, несмотря на стремление человека-исследователя своими глазами видеть все, происходящее под водой. Во‑первых, в силу своей дороговизны, а во‑вторых – активно идущего процесса разделения подводных устройств по видам работ. Для осмотра основания буровой платформы достаточно небольшого телеуправляемого подводного аппарата осмотрового класса, способного провести съемку объекта. Для задач, когда возможностей телеуправляемых аппаратов недостаточно, а возможностей обитаемых – с избытком, созданы автономные подводные аппараты, обладающие идеально отлаженными узлами автоматического управления и системы навигации. В соответствии с утвержденной стратегией развития концерн формирует новое научнотехническое направление своего развития – подводные технологии и морское приборостроение. Первые образцы разработанных приборов, предназначенных для использования в различных областях морской деятельности, проходят испытания в акватории Японского моря. Репортаж об этом читайте на с. 24. Анцев Георгий Владимирович главный редактор

MBMC‑2015 – VII Международный военно-морской салон 1–5 июля 2015 года, Санкт-Петербург Экспозиция МВМС‑2015, размещенная на 17 000 м2 выставочной площади, – в павильонах, на открытых выставочных площадях и в акватории, прилегающей к выставочному комплексу, – представила все ведущие предприятия морской отрасли России, а также около 40 зарубежных компаний. Всего участниками выставки стали 423 предприятия из 28 стран.

В рамках торжественного открытия Салона ведущие авиагруппы России – «Стрижи» и «Русские витязи» – по‑ казали наиболее сложные и зрелищные элементы своих летных программ над Финским заливом. Широкий фор‑ мат МВМС‑2015 включил также демонстрацию возможно‑ стей морского артиллерийского вооружения на полигоне «Ржевка». Прошла торжественная церемония поднятия Андреевского флага на дизель-электрической подводной лодке «Старый Оскол» проекта 636.3 «Варшавянка». Таким образом подлодка официально вошла в боевой состав ВМФ России. Салон в Санкт-Петербурге собрал представителей практически всех стран, занимающихся производством и эксплуатацией военно-морской техники. В ходе мероприятий конгрессно-делового раздела приняли участие 46 официальных делегаций из Индии, Китая, Саудовской Аравии, Алжира, Вьетнама, стран СНГ и других государств. Основной тематикой объединенной экспозиции АО «Концерн «Моринсис-Агат» и предприятий-партнеров стали инновационные разработки в области морского приборостроения. Стенды концерна посетили: руковод‑ ство Министерства промышленности и торговли Россий‑ ской Федерации, ФСВТС России, ОАО «Рособоронэкспорт», представители Министерства обороны Российской Федера-

ции, Администрации Президента Российской Федерации и других структур. Руководство концерна совместно с эк‑ спертами ОАО «Рособоронэкспорт» приняло участие в пе‑ реговорах с представителями Алжира, Саудовской Аравии, Индии, Ирана, Вьетнама и др. Салон подтвердил свое место в тройке лидирующих меж‑ дународных военно-морских салонов, наряду с парижским EURONAVAL и салоном IMDEX в Сингапуре. Однако только наш салон – единственный в мире, где организован сво‑ бодный доступ всех желающих, граждан-неспециалистов. Так, в день открытых посещений в экспозиции концерна для самых маленьких гостей МВМС была организована увлекательная викторина на морскую тематику, победи‑ тели которой получили памятные подарки. Генеральный директор – генеральный конструктор Г. В. Анцев обратил‑ ся к участникам викторины и выразил надежду на то, что, окончив школу и технические вузы, они придут работать на предприятия концерна. 3

МИР‑2015 – V юбилейный форум «Морская индустрия России – 2015» 19–21 мая 2015 года, Москва, Гостиный двор Организаторами форума выступили: Министерство промышленности и тор‑ говли Российской Федерации, ведущие отраслевые ассоциации, министерства и ведомства совместно с компанией «МегаЭкспо». В этом году форум, традиционно посвященный во‑ просам морского приборостроения, внедрения новых технологий гражданского назначения, обеспечения производственной кооперации и совершенствования механизмов государственной поддержки отрасли, стал площадкой для обсуждения долгосрочных перспектив развития приморских регионов России. В рамках деловой программы прошли круглые столы, экспертные советы и конференции, посвященные вопросам развития Даль‑ него Востока, Арктики и Крыма, также расширенное засе‑ дание Президиума Морской коллегии при Правительстве Российской Федерации. «День Дальнего Востока», организованный по инициати‑ ве и при поддержке АО «Концерн «Моринсис-Агат», собрал участников Межотраслевой технологической платформы «Освоение океана» – научные и производственные предпри‑ ятия, ведущие профильные вузы. В ходе тематического кру‑ глого стола представители АО «Концерн «Моринсис-Агат», АО «Концерн «Океанприбор», АО «НПФ «Меридиан», 4

АО «ЦНИИ «Курс», Института океанологии РАН, ДВФУ, Уральского федерального университета и других организа‑ ций обсудили: • вопросы, касающиеся комплексного экономического развития Дальнего Востока; • ключевые направления совершенствования морской инфраструктуры региона; • возможности использования скоростных судов и экра‑ нопланов на его тепловодных маршрутах; • проблемы и перспективы подготовки в регионе специалистов по разработке робототехнических комплексов. «День Дальнего Востока» завершился подписанием гене‑ рального соглашения о сотрудничестве между АО «Концерн «Моринсис-Агат» и ПАО «Совкомфлот», которое предпола‑ гает совместное участие предприятий в разработке высоко‑ технологичной продукции. По итогам «Дня Дальнего Востока» состоялась пресс-кон‑ ференция для представителей федеральных и региональных

СМИ, в ходе которой генеральный директор – генеральный конструктор концерна Г. В. Анцев подчеркнул, что ведущим промышленным предприятиям, научно-исследовательским институтам и ВУЗам «было бы полезно объединяться не толь‑ ко вертикально, но и горизонтально, по технологическому принципу, и совместно участвовать в аванпроектах, произ‑ водя качественно новую продукцию». Участие концерна в выставке «МИР‑2015», «Дне Дальнего Востока», а также итоговая пресс-конференция получили широкое освещение в новостных и аналитических СМИ.

Международный военно-технический форум «АРМИЯ‑2015» 16–19 июня 2015 года, Кубинка, Московская область Форум оказался нерядовым событием для Вооруженных сил Российской Федерации, рекордным по масштабу и насыщенности научно-деловой и демонстрационной про‑ грамм, в рамках которых было проведено бо‑ лее 90 круглых столов и представлено свыше 7 000 экземпляров вооружения и военной техники. Выставочная часть заняла около 45 000 м2 крытых пло‑ щадей и 120 000 м2 открытых площадок для демонстрации крупногабаритных образцов вооружения. Около 800 пред‑ приятий промышленности представили свою продукцию, экспозицию посетили делегации более 70‑ти государств. Динамический показ был открыт масштабной демон‑ страцией авиационной линейки, представленной но‑ 6

вейшими самолетами. Маневренные характеристики и возможности автомобильной и бронетанковой техники участники форума смогли оценить на специально обору‑ дованном полигоне. АО «Концерн «Моринсис-Агат» представил отдельные элементы охраны морского побережья, а также модель интеграции разнообразных технических средств под‑ водного, морского и берегового базирования в единую комплексную систему. Входящий в систему охраны мор‑ ского побережья широкий спектр надводных и подвод‑ ных робототехнических средств может быть использован не только в сугубо военных и охранных целях, но и для решения ряда спасательных и научно-исследовательских задач, а также для осуществления геолого-разведыватель‑ ных работ и обеспечения деятельности предприятий ТЭК в акваториях морей и океанов.

Также в рамках экспозиции концерна продемонстриро‑ ваны: береговой подвижный ракетный комплекс «Бал-Э», комплекс охраны объектов морского и прибрежного бази‑ рования «Навага», гидроакустическая станция обнаружения диверсионных сил и средств, автоматизированный водолаз‑ ный комплекс навигации, пеленгации и голосовой связи, мо‑ бильный гидроакустический комплекс «ЗЕВС» и другие. По словам генерального директора – генерального конструктора Г. В. Анцева, «предприятия концерна обла‑ дают сегодня достаточными возможностями для того, чтобы не просто создавать робототехнические средства и комплексы, а управлять ими и интегрировать их в еди‑ ную систему охраны морского побережья». Подобная си‑ стема может представлять интерес не только для России, но и для некоторых других стран, имеющих протяженные морские границы. 7

СОДЕРЖАНИЕ CONTENT

МОРСКИЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ No. 2 (8) / 2015 VII Международный военно-морской салон 2

Тренажерный комплекс для обучения операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов различных типов В.В. Ханычев, Т.С. Клименко, М.А. Милованов, А.В. Илларионов АО «ЦНИИ «Курс» 48

V Международный Форум «Морская индустрия России» 4

Международный военно-технический форум «Армия‑2015» 6

48 Перспективы радиолокационной диагностики пленок на морской поверхности С.А. Ермаков, И.А. Сергиевская, И.А. Капустин ИПФ РАН 54

Системы управления корабельных радиолокационных станций на базе АФАР А.Т. Бекишев, Ю.А. Рунец АО «НПП «Салют» 10

54 Геофизические возмущения в морском водном массиве и электромагнитные волны Ка-диапазона Л.Б. Ханин, А.В. Еремичев, О.Е. Ткаченко АО «КБ «Аметист» В.Б. Белянский МТУСИ 18

Репортаж с Дальнего Востока

Восточный экономический форум-2015

Международная выставка «День инноваций Министерства обороны Российской Федерации 2015» 26 Испытания в рамках программы инновационного развития АО «Концерн «Моринсис-Агат»

Лазерное дистанционное зондирование водной поверхности в летний период С.М. Першин, В.Н. Леднёв, М.Я. Гришин, И.А. Капустин, А.А. Мольков, С.А. Ермаков, А.Ф. Бункин Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН Институт прикладной физики РАН Московский физико-технический институт (государственный университет) Волжский государственный университет водного транспорта АО «Концерн «Моринсис-Агат» 60

Современные информационные технологии в краткосрочном прогнозировании рыбного промысла А.А. Батайлюк, М.Ю. Кузнецов, В.В. Кулик, Е.В. Самко ФГБНУ «ТИНРО-Центр»

Современная радиолокация. Состояние и перспективы. Часть II Г.В. Анцев АО «Концерн «Моринсис-Агат» В.А. Сарычев АО «НПП «Радар ммс» 32

Сохранение океанической среды требует создания современных технических средств и новых технологий М.В. Арфаниди АО «Концерн «Моринсис-Агат» 80

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КОРАБЕЛЬНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ НА БАЗЕ АФАР Радиолокационные системы противовоздушной обороны морского базирования, построенные на базе активных фазированных антенных решеток, в настоящее время являются наиболее конкурентоспособными. Однако создание систем управления при конструировании таких систем сопряжено с определенными трудностями. Рассмотрим несколько способов построения структуры систем управления и один из методов их оптимизации, позволяющие решить проблемы цифрового диаграмообразования и электронного сканирования в условиях жестких ограничений по времени. АО «НПП «Салют»* Москва А.Т. Бекишев, Ю. А. Рунец * АО «Концерн «Моринсис-Агат»

Корабельные радиолокационные станции (РЛС) используются для решения задач обнаружения, сопровождения, целеуказания, наведения, а также вспомогательных задач (метеорологических, навигационных, обеспечения связи и т. п.). Функциональное назначение радиолокационных станций и ее характеристики в первую очередь определяются используемой антенной. Главная характеристика любой антенны – параметры ее диаграммы направленности, к которым относится ширина главного лепестка, уровень боковых лепестков и др. Порядок обзора пространства определяется так называемой программой сканирования – перечнем направлений и характеристик лучей антенны, используемых для сканирования пространства в заданном направлении. Повышение требований к тактико-техническим характеристикам современных корабельных радиолокационных станций определяет главное направление их совершенствования – массовый переход к построению станций на базе активных фазированных антенных решеток (АФАР). Применение активных фазированных антенных решеток при построении антенных систем радиолокационных станций обусловлено такими качествами, как: 1. формирование множества диаграмм направленности антенны независимо на передачу и на прием; 2. безынерционное управление положением диаграмм направленности антенны в пространстве; 3. оптимальное распределение энергии зондирования по времени и пространству для обеспечения эффективного решения различных задач (обнаружения, сопровождения, слежения, управления и т. д.); 4. обработка с учетом пространственно-временной структуры (когерентности) сигналов, что в свою очередь обеспечивает реализацию: • параллельного обзора нескольких угловых направлений пространства с высоким разрешением; • моноимпульсных режимов измерения угловых координат; • адаптивных алгоритмов формирования «нулей» диаграмм направленности антенны для подавления активных помех; 5. исключение из состава радиолокационных станций передающих и приемных устройств, так как их функции выполняются в распределенной структуре активных фазированных антенных решеток; 6. снижение энергетических потерь в трактах, отсутствие необходимости в высокой частоте повторений и уменьшение количества приборов при одновремен-

ной возможности значительного улучшения тактикотехнических характеристик РЛС; 7. повышенная надежность (живучесть) в том смысле, что выход из строя части элементов АФАР не приводит к отказу активных фазированных антенных решеток и радиолокационной станции в целом. Однако необходимо отметить, что применение активных фазированных антенных решеток в радиолокационной станции имеет и существенные недостатки: • высокая сложность, а соответственно, и стоимость АФАР и всей РЛС в целом в сравнении с радиолокационной станцией с пассивными антеннами; • РЛС с АФАР очень требовательны к качеству разработки, изготовления и эксплуатации как самих радиолокационных станций, так и всей корабельной инфраструктуры в целом. Ряд целей, которые должны быть обнаружены корабельными РЛС, имеют высокие скорости и низкую эффективную поверхность рассеивания. Поэтому при разработке станций предъявляются требования к высокой скорости адаптивности – характеристике, которая определяет время перехода от режима обзора к режиму сопровождения. На основе сказанного можно заключить, что построение радиолокационных станций на базе активных фазированных антенных решеток, сочетающих в себе возможность распределения энергии в раскрыве антенной системы и высокой адаптивности построения требуемых диаграмм направленности и, как следствие, режимов работы станции, можно считать практически безальтернативным.

Особенности управления антеннами, построенными на базе активных фазированных антенных решеток В отличие от антенны, состоящей из одиночного излучателя, антенная решетка состоит из большого количества элементов (от единиц до сотен или даже тысяч), размещенных определенным образом в пространстве (рис. 1). Фазированной антенной решеткой называют антенную решетку, в которой можно управлять фазами токов каждого из элементов. Как отмечалось выше, такое управление фазами позволяет: • формировать необходимую форму диаграммы направленности антенны; • изменять направление луча неподвижной антенны, осуществляя быстрое (в ряде случаев безынерционное) сканирование пространства. 11

Динамическое изменение формы диаграммы направленности может понадобиться: • при изменении конфигурации решетки (в случае выхода из строя одного или нескольких элементов); • при переходе на другой режим работы (например, с передачи на прием); • при использовании решетки «по частям» для решения вспомогательных задач («допоиск» в какой-то области пространства, работа с сигналами госопознавания и др.). Рассмотрим несколько способов формирования управляющих сигналов, определяющих разные схемы построения системы управления сканированием радиолокационной станции.

Способы формирования амплитудно-фазового распределения на управляющих элементах Формирование амплитуд и фаз в приборе управления

Рис. 1. Фазированная антенная решетка корабельной двухканальной радиолокационной станции

В активной фазированной антенной решетке каждый элемент представляет собой модуль, обычно приемопередающий модуль (ППМ), в который кроме излучателей и фазовращателей входят активные элементы для усиления, преобразователи частот, аналого-цифровые преобразователи, а также устройства предварительной пространственно-временной обработки сигнала [1]. Каждый элемент или группа элементов антенной решетки имеют, по сути, свой собственный приемник и передатчик, что позволяет радиолокационной станции обойтись без общего приемника и передатчика, применяемых в радарах с пассивной фазированной решеткой. Для формирования общей диаграммы направленности активной фазированной антенной решетки в каждый модуль необходимо передавать два управляющих сигнала – фазу и амплитуду. В зависимости от типа антенны для управления лучом каждого модуля могут применяться аналоговые фазовращатель с аттенюатором или цифровые устройства управления. Возможность управления фазой и амплитудой каждого элемента решетки позволяет не только «собирать» диаграмму направленности антенны в один луч, но и при необходимости изменять ее форму.

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

В состав каждой РЛС входит прибор управления станцией. Как правило, он включает в себя вычислитель (в современных станциях построенный на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) или спецпроцессоров) или вычислительную машину, представляющую собой промышленный компьютер специального назначения (рис. 2). Вычислительные мощности прибора управления позволяют рассчитать амплитуды и фазы элементов решетки для формирования нужной диаграммы направленности и динамически пересчитывать их для управления сканированием луча или для переключения в другие режимы работы. Однако количество элементов решеток может достигать от сотни до нескольких тысяч. Такое количество рассчитанных амплитуд и фаз с прибора управления через вращающийся переход нужно передать на полотно антенны к плотно расположенным приемо-передающим модулям. В случае параллельного подключения приемо-передающих модулей к прибору управления придется тянуть огромное количество кабелей, что также не всегда представляется возможным. При последовательном подключении необходимо в реальном времени организовать передачу большого количества информации, которую нужно будет адресно рассылать по модулям, используя сложные протоколы обмена, что еще сильнее снизит пропускную способность канала связи, а в общем случае и всей сети. При этом нельзя забывать, что кроме сигналов управления должны передаваться импульсы синхронизации, диагностическая и другая служебная информация, а к модулям, кроме электрических сигналов, необходимо обеспечить подачу СВЧ-канала, элементов системы охлаждения и т. п.

ППМ ППМ Прибор управления

ППМ ППМ

Полотно АФАР

Рис. 2. Система управления формирования диаграммы направленности, реализованная на базе прибора управления радиолокационной станцией

ППМ ППМ ППМ ППМ

Блок управления лучом

Прибор управления

Полотно АФАР

Рис. 3. Система управления формированием диаграммы направленности, реализованная на полотне антенны

Таким образом, выигрывая в быстродействии вычислений, мы сталкиваемся с недостаточной пропускной способностью линий передачи и конструкторско-технологическими трудностями по размещению элементов и каналов связи на полотне активной фазированной антенной решетки.

Формирование амплитуд и фаз в блоке управления, расположенном на полотне антенны или непосредственно в модулях АФАР Для того чтобы снизить поток данных, передаваемых по линиям связи на полотно антенны, прибор управления можно ограничить решением задачи выбора и управ-

ления программами сканирования радиолокационных станций. При этом с прибора управления необходимо будет передавать на полотно решетки только информацию о направлении текущего луча, его типе и другую служебную информацию, необходимую для формирования диаграммы направленности. В этом случае для обеспечения всех необходимых вычислений непосредственно на полотне надо предусмотреть отдельное устройство – блок управления лучом (рис. 3).

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

При отсутствии блока управления лучом, придется реализовывать указанные выше вычисления непосредственно в приемо-передающих модулях активной фазированной антенной решетки. Это потребует включения в их состав соответствующих элементов – процессора, памяти, контроллеров и/или ПЛИС [2], что приведет к существенному увеличению стоимости. Кроме того, подобное техническое решение усложнит структуру приемо-передающих модулей без гарантии того, что будет обеспечено формирование диаграммы направленности в реальном времени, особенно с учетом необходимости обмена сигналами с прибором управления. Выигрывая в снижении нагрузки на линии передачи, при втором варианте построения разработчики столкнутся с жестким ограничением на время вычисления, узким местом системы окажутся вычислительные мощности модулей или блока (линейки блоков) управления лучом.

Предварительное формирование амплитуд и фаз в блоке управления, расположенном на полотне антенны Снизить нагрузку на вычислительные мощности блока управления лучом (или приемо-передающих модулей) позволит уход от вычисления необходимых амплитуд и фаз в реальном времени. Этот вариант построения подразумевает предварительное вычисление всех необходимых амплитуд и фаз для всех возможных направлений луча, для всех типов луча и всех режимов работы и занесение информации об этом в некоторую таблицу (или базу данных). При этом с прибора управления РЛС будет поступать только код операции (код ячейки таблицы, откуда нужно взять данные), и блок управления лучом активной фазированной антенной решетки (или каждый из модулей решетки), не тратя время на расчеты, сразу получит всю необходимую информацию для формирования диаграммы направленности. Однако и тут разработчиков подстерегает узкое место. Избавившись от нагрузки на вычислительные мощности, сталкиваемся с ограничением на объем памяти, необходимый для хранения такого количества информации. Для оценки требований к объему памяти нужно помнить, что для нескольких тысяч элементов потребуется хранить информацию об амплитудах и фазах, рассчитанных для всех углов сканирования луча в вертикальной плоскости, а если используется горизонтальное сканирование, то и в горизонтальной. Причем все расчеты должны быть проведены отдельно для каждой частоты функцио14

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

нирования станции. Кроме того, придется хранить поправочные коэффициенты каждого модуля, используемые для его калибровки. Часто предварительные расчеты приходится проводить и для разных значений температуры приемо-передающих модулей, поскольку их характеристики при этом существенно меняются. Таким образом, выбор при построении системы управления лучом АФАР решения, оптимального по «фактической скорости расчета» диаграммы направленности, также не является очевидным.

Гибридные способы управления Гибридные способы построения системы управления заключаются в комбинировании нескольких описанных выше вариантов и, как правило, позволяют получить необходимый результат в условиях жестких ограничений на характеристики этой системы. В качестве одного из вариантов построения системы управления, позволяющего избежать описанных выше недостатков и узких мест, можно предложить следующее (см. рис. 4). На первом этапе работы осуществляется сбор информации от приемо-передающих модулей (собственные поправочные коэффициенты, температура), а также о состоянии и параметрах работы системы (температура, частота) от блока управления и передача их в прибор управления (ПУ) (рис. 4 а). На втором – вычисляются или уточняются управляющие коэффициенты в приборе управления и передаются в блок управления (рис. 4 б). Первые два этапа являются подготовительными и позволяют сформировать в блоке управления лучом (БУЛ) на полотне антенны набор параметров, которые могут понадобиться для формирования поля амплитуднофазового распределения управляющих коэффициентов. Таким образом, удается избежать необходимости рассчитывать в реальном времени амплитудно-фазовое распределение и трудностей, связанных с передачей в реальном времени рассчитанной информации на полотно антенны, а также минимизировать объем хранимой информации в блоке управления лучом. На третьем этапе необходимо передавать управляющие коэффициенты в приемо-передающие модули. Однако осталась проблема узкой пропускной способности канала связи между этими модулями и блоком управления лучом. В случае, если передать текущие управляющие коэффициенты (амплитуды и фазы) и излучить их за заданное время не представляется возможным, можно вместо управления в реальном времени единовременно передать на каждый приемо-передающий модуль целый пакет управляющих коэффициентов для этого модуля, отвечающий за сканирование в пространстве и определяемый текущей программой сканирования (рис. 4 в). В результате, отпадает необходимость

ППМ ППМ

полная таблица коэффициентов

состояние

ППМ ППМ

БУЛ

ПУ

ППМ ППМ

состояние

ППМ

коэффициент текущей программы сканирования скан

ППМ

полная таблица коэффициентов

БУЛ

ПУ

ППМ ППМ

состояние

ППМ

коэффициент текущей программы сканирования скан

ППМ

полная таблица коэффициентов

БУЛ

ПУ

ППМ ППМ

состояние

ППМ

коэффициент текущей программы сканирования скан

ППМ

полная таблица коэффициентов

БУЛ

ПУ

Рис. 4. Гибридные способы управления: а) сбор управления о состоянии; б) формирование управляющих систем; в) передача в модули; г) сканирование

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

в дальнейшей передаче информации от устройств управления к модулям, и дальнейшее сканирование до изменения программы сканирования будет осуществляться средствами приемо-передающих модулей. Четвертый этап – последовательный перебор каждым модулем полученного набора управляющих коэффициентов, формирование требуемых амплитуд и фаз и излучение соответствующего сигнала в пространство (рис. 4 г). Таким образом, третий этап также переходит в разряд подготовительных. Потеряв несколько тактов на передачу коэффициентов в модули, получаем систему с необходимыми параметрами функционирования (частота излучения). Четвертый этап повторяется до тех пор, пока изменение программы сканирования не потребует повторения третьего этапа. Изменение температуры или частоты, изменение конфигурации системы (выход из строя, замена модулей) может потребовать повторения второго или и второго и первого этапов.

Методы решения задачи выбора структуры системы управления Существует большое количество методов решения задачи выбора оптимального результата по тому или иному критерию оптимальности. В качестве наиболее простого метода можно предложить метод из теории графов – определение наикратчайшего маршрута в многосвязном ориентированном взвешенном мультиграфе. Узлы мультиграфа будут представлять собой элементы системы управления, а ребра – каналы связи системы управления. При этом в качестве веса ребер должны выступать сложные нормированные величины, пропорциональные: • пропускной способности соответствующего ребру канала связи; • вычислительной мощности и объему памяти элементов системы, соответствующих соседним с ребрами (концевых) узлов. Решение по формированию структуры системы как пример гибридного способа было получено именно таким образом. Конец кратчайшего маршрута мультиграфа прошел через ребро, взвешенное параметром, пропорциональным «объему памяти» модуля (а не «пропускной способности канала» и не «вычислительной мощности»). А сам маршрут пошел, как ни странно, от модуля через прибор управления обратно в модуль. 16

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

В итоге было принято неочевидное на первый взгляд техническое решение. Как было отмечено выше, до реализации полученных данных «в железе» результаты расчетов предварительно проверяются на моделях и при необходимости уточняются или дополняются. Моделирование может осуществляться путем разработки программ на языках высокого уровня, с использованием специальных математических пакетов или с помощью специализированных программных продуктов имитационного моделирования.

Использование результатов оптимального решения задачи управления Традиционно задача выбора структуры системы управления антенны возникает при ее проектировании. Однако при разработке радиолокационной станции можно предусмотреть возможность динамического изменения структуры системы управления сканированием в режиме реального времени. В этом случае в любой момент времени при изменении конфигурации системы (это может быть вызвано выходом из строя блока, линии связи, одного или нескольких приемо-передающих модулей) оператор будет иметь возможность динамически пере-

считать структуру системы управления, оптимальную для изменившихся условий. Несмотря на то, что выход из строя малого процента приемо-передающих модулей не приведет к существенным последствиям, можно будет или продублировать функции вышедших из строя элементов, или подготовиться к продолжению ухудшения состояния РЛС. При поступлении сигнала от системы диагностики и контроля о каком-либо изменении конфигурации станции оператору могут быть предложены варианты соответствующих изменений конфигурации системы управления, включая дублирование информации, перенаправление потоков данных и т. п. Такое конструктивное решение повысит надежность (живучесть) системы управления сканированием и, следовательно, всей радиолокационной станции в целом.

Заключение Представленные проблемы требуют решения задачи управления для системы, состоящей из большого количества элементов, с жестким ограничением по времени, с ограничением по вычислительным ресурсам и ресурсам

памяти. При этом оптимальные решения будут разными для разных критериев оптимальности, среди которых можно выделить: критерии оптимальности по времени, по сложности построения (что обратно пропорционально надежности), по точности и т. д. Как показывают результаты моделирования, нередко оптимальным решением является некий гибридный вариант построения системы управления. Полученные результаты могут использоваться как на этапе проектирования радиолокационной станции, так и для оптимизации характеристик функционирования и повышения живучести станции в режиме реального времени.

ЛИТЕРАТУРА 1. Гостюхин В.Л., Трусов В.Н., Гостюхин А.В. Активные фазированные антенные решетки. – М.: Радиотехника, 2011. – 304 с. 2. Воскресенский Д.И. Проектирование активных фазированных антенных решеток. – М.: Радиотехника, 2003. – С. 334–351.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗМУЩЕНИЯ в морском водном массиве И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ Ка-ДИАПАЗОНА Морская поверхность, занимающая по площади большую часть Земли, – активный излучатель электромагнитных колебаний, являющихся отражением геофизических возмущений в толще водного массива. Изучение этого эффекта чрезвычайно важно, поскольку может быть использовано в исследованиях, позволяющих предсказывать такие грозные для человека явления, как землетрясения, цунами, тайфуны и т.п., а также для поиска различных объектов, например, крупных косяков рыб, субмарин.

АО «Конструкторское бюро «Аметист»*, Москва Л.Б. Ханин А.В. Еремичев, О.Е. Ткаченко

Московский технический университет связи и информатики В.Б. Белянский

* АО «Концерн «Моринсис-Агат» 18

Ka-диапазон – диапазон частот сантиметровых и миллиметровых длин волн, используемых в основном для спутниковой радиосвязи и радиолокации. По определению IEEE, этот диапазон простирается от 26,5 до 40 ГГц электромагнитного спектра (что соответствует длинам волн от 1,13 до 0,75 см). 1

5 2

10 5

1000 900

Ослабление излучения, дБ

Мониторинг морской поверхности может быть весьма эффективно проведен с помощью искусственных спутников Земли. Однако прием электромагнитных волн на борту искусственного спутника возможен [1] только в области так называемых окон прозрачности. Зависимость затухания в тропосфере электромагнитных волн в диапазоне ~ 1–350 ГГц представлена на рисунке 1. Из рисунка следует, что небольшие значения затухания (~ 0,1–3 дБ/км) возможны в области частот около 30 ГГц (Кадиапазон1), 80, 120 и 320 ГГц. Рассмотрим возможность обнаружения геофизических возмущений среды при помощи приема электромагнитных волн в этих частотных областях, в первую очередь в Ка-диапазоне. На рисунке 2 (а, б, в) приведены зависимости затухания электромагнитных волн в морской толще при электрической проводимости морской воды δ=5 Ом/м. Из этих рисунков следует, что возникшие в морской толще электромагнитные волны сантиметрового и миллиметрового диапазона существенно ослабляются водной средой, в результате их регистрация на сколь-нибудь значительном расстоянии от области возникновения становится нере-

ализуемой. Следовательно, регистрация эффектов геофизических возмущений среды в водной толще при помощи искусственного спутника Земли в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн возможна только при наличии эффекта возбуждения поверхности раздела «вода-тропосфера» акустическими волнами или электромагнитными полями, спектр которых имеет верхнюю частоту ниже 10–20 кГц. Преобразование низкочастотного спектра электромагнитных колебаний в спектр колебаний высокочастотных возможно при помощи параметрического преобразования или при наличии нелинейных эффектов.

800 700 600 500 400 300 200 100 0

0.1

Частота, ГГц

100

500 450

Ослабление излучения, дБ

Введение

400 350 300 250 200 150 100 50

Затухание, дБ/км

Результирующая

Частота, МГц

5 20 2

Ослабление излучения, дБ

10-1 5 Сухой воздух

Результирующая

10-2 5 Водяной пар

10-3

2 10 Частота, ГГц

102

Давление – 1013 гПа Температура – 15 °С Плотность водяного пара – 7,5 г/м3

Рис. 1. Затухание электромагнитной волны в тропосфере

16 14 12 10 8 6 4 2 0

Частота, кГц

Рис. 2. Затухание электромагнитной волны в морской воде

Рассмотрим несколько упрощенный случай, иллюстрирующий особенности параметрического преобразования. Пусть для однозначности в области раздела существует медленно меняющееся магнитное поле Н со спектром 0<Ω<Ωв, удовлетворяющее волновому уравнению

B = μ H – вектор индукции возбуждающего магнитного поля, U – вектор скорости частицы материальной среды с проводимостью σ. Напряженность поля, создаваемого элементом возбуждения, можно определить по соотношению

где k2 = Ω2 ε μ, (ε и μ – соответственно диэлектрическая и магнитная проницаемость среды). Получаем, что величина k2 есть сумма некоторой константы ko2 и величины ∆k2, меняющейся во времени:

(3)

Если слагаемое ∆k2 вызывает изменение ΔН, то, как известно из [2], (1) где V – объем, в котором ∆k2 является существенным, r – расстояние от наблюдателя до точки интегрирования. Очевидно, что верхняя частота спектра ΔН равна верхней частоте спектра ∆k2. Таким образом, периодичность колебаний частиц среды, возбуждающих колебания с частотой около ƒв=30 ГГц, должна быть не менее величины

где n – номер гармоники, соответствующий верхней частоте спектра. Даже при очень крутых фронтах колебательного процесса (n≈100) Δτ имеет порядок не более

Столь малое время периодичности движения частиц материальной среды возможно только в области электронно-ионных обменов, поэтому элементом возбуждения апертуры водной поверхности следует считать область над поверхностью раздела, в которой существенна концентрация паров воды. По-видимому, высота этой области Hв находится в пределах приблизительно от 10 см до 100 м и должна быть учтена в дальнейшем. При возбуждении апертуры излучающей поверхности магнитным полем плотность тока возбуждения излучающих частиц σ может быть определена с помощью обобщенного закона Ома [3]:

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Диаграмма направленности излучающей поверхности для плоской границы раздела Морская поверхность представляет собой поверхность, рельеф которой меняется со временем. Выше было показано, что при параметрическом возбуждении только мелкомасштабные неоднородности могут вызвать свечение в диапазоне миллиметровых и сантиметровых волн. Поэтому излучение поверхности моря можно представить в виде

(4)

где c – константа, Fe (φ, θ) – нормированная диаграмма направленности элемента возбуждения, D – нормированная диаграмма направленности апертуры. Y θ

ϕy ϕx

X ϕz

(2)

где σ – проводимость частицы, Е – вектор напряженности возбуждающего электрического поля, 20

где Ei – напряженность поля, возбужденного частицей, несущей ток Ji c плотностью тока δ, Fe (φ, θ) – нормированная диаграмма направленности элемента возбуждения, с – константа, однозначно определяемая областью существования элемента возбуждения Ve, температурой материальной среды, плотностью и массой частиц. Величина с и функция Fe (φ, θ) могут быть определены экспериментально.

Z а

Рис. 3. Геометрия излучающей апертуры

Диаграмму направленности плоской апертуры можно определить [4] по соотношению

где, а,

(7a) (7b)

(5) т. е. проекции функции возбуждения G (ξ, η) соответственно на плоскости xz и yz. где U, V – нормированные угловые координаты, – нормированные линейные координаты,

– длина волны,

Таким образом, нормированные диаграммы направленности в двух плоскостях формально имеют один и тот же вид. Для упрощения выкладок можно считать (8)

– направляющие косинусы (см. рис. 3),

и – габариты апертуры (см. рис. 3), – функция возбуждения апертуры. Из соотношения (1) следует, что диаграмма направленности излучающей апертуры в плоскости x0z имеет вид (6a)

что в большинстве случаев справедливо с достаточно высокой точностью. Апертура морской поверхности в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн не может считаться плоской и, кроме того, существенно зависит от времени. Однако достаточно несложно свести задачу излучения реальной морской поверхности к излучению плоской апертуры, модифицировав функцию возбуждения апертуры, например, с помощью соотношения (1). Таким образом, будем считать, что в первом приближении напряженность электромагнитного поля морской поверхности определяется соотношением

а в плоскости y0z (6b)

где функции F (U, t) и F (V, t) определяются из соотношений (6а) и (6b) при замене функций G υ (ξ) и G υ (η) их модифицированными значениями G μ (ξ) и G μ (η). No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Эти функции будут определены в дальнейшем для ряда характерных значений морской поверхности и различных интервалов усреднения по времени и частоте мгновенных значений диаграмм направленности. При исследовании возбуждения высокочастотных электромагнитных колебаний низкочастотным электрическим или магнитным полем, вызванных геофизическими возмущениями среды в водной толще, целесообразно учитывать, что этот эффект будет маскироваться всегда существующим магнитным или электрическим полем Земли. Поэтому точность эксперимента будет существенно повышена при ансамбле измерений, когда одновременно регистрируются все поля, возбуждающие апертуру поверхности. Кроме того, учет временной зависимости диаграммы направленности поверхности может позволить определить координаты и направление движения источника геофизического возмущения среды.

Температура поверхности моря Постоянное магнитное поле не меняет кинетическую энергию заряженных частиц, искривляя только их траектории. Однако это строго справедливо только для постоянного магнитного поля. Переменное магнитное поле всегда будет являться источником электрического поля и, следовательно, будет вызывать повышение энергии хаотически движущихся заряженных частиц, повышая температуру среды. Такое повышение температуры на величину ΔT вызовет шумовые излучение мощностью (9)

Шумовой сигнал (υш)

где k = 1,38 ∙ 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана, ∆ f – рабочая полоса частот приемника.

Спектр такого излучения близок к спектру абсолютно черного тела, т. е. излучение является широкодиапазонным. Это излучение вызовет повышение шумовой температуры антенны ∆TшA;

где F2 (Ω) – квадрат диаграммы направленности антенны как функция телесного угла. Повышение шумовой температуры антенны может быть зарегистрировано современными радиометрами, имеющими чувствительность в доли градуса. Отметим, что рассматриваемый эффект возможен при условии, что прогревается узкий слой воды у поверхности раздела «вода-воздух», и этот слой имеет электромагнитные параметры, существенно отличающиеся от параметров остальной толщи воды. В экспериментах, кроме характера спектра излучения, полезно обратить внимание на постоянную времени исследуемого процесса, так как излучение может быть вызвано не только движением электронов, но и движением ионов, которые резко отличаются по массе. В случае пересечения источника возмущения пространственной области, задаваемой главным лепестком антенны радиометра, сигнал Uш (t) будет иметь вид, близкий к функциональной зависимости, приведенной на рисунке 4. Характер спектра исследуемого процесса тесно связан с механизмом возникновения волн миллиметрового диапазона. Так, если источником этих волн является магнитное поле у поверхности раздела сред, то существуют частоты, при которых излучение максимально.

Uш(t) = ΔUш {1 – exp[a(t – t1)]} Uш(t) = ΔUш [exp a(t – t2)]

Время (t)

Рис. 4. Характер регистрируемого сигнала при движении источника возбуждения

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

(10)

Излучение морской поверхности как смесь детерминированного и статистического процессов Как уже отмечалось, диаграмма направленности поверхности раздела «море-воздух» может быть определена функциями нормированных углов U и V:

По характеру функции ρ (γ) в принципе можно определить координаты источника геофизических возмущений среды и направление его движения. Для этого нужно решить обратную задачу теории антенн – по заданной диаграмме направленности определить функцию возбуждения: (13)

(11a)

(11b)

Это решение является в принципе неоднозначным, определить ρ (γ) возможно при разработке методики регуляризации.

Выводы Реальная поверхность раздела описывается смесью детерминированных и случайных параметров, поэтому при обработке экспериментальных данных целесообразно определять функцию мощности излучения, например, F2 (U), как величину, усредненную по множеству реализаций: (12) где ρ (γ) – корреляционная функция от функции возбуждения поверхности раздела. Корреляционная функция ρ (γ) будет определяться для морской поверхности в Ка-диапазоне в основном мелкомасштабными неоднородностями протяженностью l<λ и крупномасштабными неоднородностями морских волн при l >> λ.

1. При экспериментальном исследовании механизма излучения необходима регистрация спектра излучения как в узких полосах частот, так и в широком диапазоне частот. 2. При возбуждении излучения миллиметрового диапазона низкочастотным магнитным полем существует оптимальная частота магнитного поля, при которой излучение миллиметрового диапазона максимально. 3. Как параметрические, так и нелинейные эффекты, которые способны служить причиной возникновения высокочастотного излучения, могут существовать в узкой полосе водной среды, расположенной в области поверхности раздела сред. 4. Статистические характеристики поверхности раздела морской среды могут нести информацию о координатах источника геофизических возмущений среды и направлении движения этого источника.

ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4.

Бородич С.В. ЭМС наземных и космических радиослужб. – М.: Радио и связь, 1990. Пименов Ю.В. Линейная макроскопическая электродинамика. – Долгопрудный: Изд. дом «Интеллект», 2008. Физический энциклопедический словарь / Под ред. А.М. Прохорова. – М.: Советская энциклопедия, 1984. Семенов Н.А. Антенны // Конспект лекций. – М.: Изд-во ВЗЭИС, 1964.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Репортаж с Дальнего Востока АО «Концерн «Моринсис-Агат» принял участие в Восточном экономическом форуме (ВЭФ‑2015), который прошел во Владивостоке с 3 по 5 сентября 2015 года Основной темой ВЭФ‑2015, который торжественно от‑ крыл Президент РФ Владимир Путин, стало интенсивное социально-экономическое развитие Дальневосточного фе‑ дерального округа и эффективная реализация его инвести‑ ционного потенциала. Форум собрал более 1,5 тысячи официальных лиц, пред‑ ставителей бизнеса и экспертного сообщества из 26 стран Азиатско-Тихоокеанского региона. Площадкой для его проведения стал Дальневосточный центр компетенций АО «Концерн «Моринсис-Агат», расположенный на терри‑ тории Дальневосточного федерального университета. Одним из ключевых мероприятий стала сессия Ми‑ нистерства промышленности и торговли Российской Федерации – «Судостроение. Где будем строить суда?», в которой приняли участие заместитель Министра оборо‑ ны РФ Ю. И. Борисов, Главнокомандующий ВМФ В. В. Чир‑ ков, заместитель Министра промышленности и торговли РФ Г. В. Каламанов, заместитель Министра транспорта РФ В. А. Олерский, директор департамента судостроительной промышленности и морской техники Министерства про‑ 24

мышленности и торговли РФ М. Н. Кочетков, генеральный директор – генеральный конструктор АО «Концерн «Мо‑ ринсис-Агат» Г. В. Анцев, представители Федерального агентства по рыболовству, ПАО «Совкомфлот», ОАО «Ро‑ снефть», ОАО «ОСК» и других ведущих российских и зару‑ бежных компаний. На сессии обсуждались вопросы загрузки производст‑ венных мощностей дальневосточных судостроительных предприятий, а также совершенствования транспортной инфраструктуры региона путем использования на вну‑ тренних и прибрежных маршрутах скоростного водного транспорта. На организованной ПАО «Соллерс» сессии «Современ‑ ное промышленное производство» Г. В. Анцев выступил с докладом об инновационных направлениях деятель‑ ности концерна на Дальнем Востоке, а также о роли «Кон‑ церна «Моринсис-Агат» в реализации инициатив Межотраслевой технологической платформы «Освоение океана» по созданию в регионе кластера морского прибо‑ ростроения и подводной робототехники. В Дальневосточном центре компетенций высокопостав‑ ленным лицам и представителям иностранных и россий‑ ских делегаций были продемонстрированы новейшие разработки предприятий концерна.

Фото: Евгений Вольнов

Международная выставка «День инноваций Министерства обороны Российской Федерации‑2015» прошла 5–6 октября 2015 года На выставке были представлены современные образцы продукции военного назначения, передовые технологии и достижения оборонно-промышленного комплекса, про‑ ведены обсуждения важнейших вопросов перспективного развития вооружения и военной техники. Подобные мероприятия являются действенным инстру‑ ментом интеграции научных разработок в производство продукции военного назначения и взаимодействия между органами власти и представителями бизнеса. В этом году «День инноваций» был проведен одновре‑ менно во всех военных округах России. Открытие выставки во Владивостоке состоялось в Даль‑ невосточном центре компетенций АО «Концерн «Морин‑ сис-Агат». Эта площадка на базе ДВФУ становится одной из заметных в регионе, поскольку комплексное развитие Дальнего Востока – основа долгосрочной программы раз‑ вития интегрированной структуры «Концерн «МоринсисАгат». 26

На выставке концерном были представлены: • роботизированный комплекс по установке сейсмо‑ кос или гидроакустических датчиков, который мо‑ жет использоваться для геологической разведки, поиска полезных ископаемых; • метеокомплекс, для установки на кораблях, плат‑ формах;

• модульный операционный пункт, из которого, в том числе, может осуществляться управление робото‑ техническими средствами; • средства пассивной и активной радиолокации, по‑ зволяющие наблюдать за береговой чертой и за мо‑ рем, управлять воздушным пространством; • роботизированная система, способная осуществ‑ лять мониторинг, выполнять охранные функции и, если потребуется, военные.

Испытания в рамках программы инновационного развития АО «Концерн «Моринсис-Агат» В период между ВЭФ-2015 и «Днем инноваций МО РФ» на полигоне морской экспериментальной станции (МЭС) Тихоокеанского океанологического института им. В. И Иль‑ ичёва Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) на острове Попова (бухта Алексеева) проводились испытания новых образцов океанологиче‑ ских приборов, разработанных по программе инновацион‑ ного развития АО «Концерн «Моринсис-Агат». Морская экспериментальная станция на о. Попова была создана в 1968 году. Основное ее предназначение: проведение биоэкологических исследований, натурных испытаний и отладки морской геофизической и гидрофи‑ зической аппаратуры, мониторинг геомагнитного поля. На МЭС ТОИ ДВО РАН развернуты локальные сети, кото‑ рые с помощью радиоканалов магистральной телеком‑ муникационной сети залива Петра Великого подключены к сети ДВО РАН, что позволяет обеспечивать сотрудникам экспедиционных отрядов полноценный доступ к инфор‑ мационным ресурсам Дальневосточного отделения РАН.

Цель испытаний – экспертная оценка технических характеристик разработанных экспериментальных образцов, проверка их функциональных возможностей в натурных условиях на морском полигоне, проверка возможности включения в их состав отечественного оборудования взамен установленного оборудования импортного производства. Одновременно с проведением испытаний отрабатыва‑ лись навыки персонала по подготовке, проведению испы‑ таний и экспресс-анализу получаемых результатов, были оценены возможности полигона и выработаны требова‑ ния к перспективному полигону по испытаниям морского оборудования. На первом этапе испытаний были представлены: • модуль саморазвертывающейся мобильной распре‑ деленной донной антенны (СМРДА); • комплект автономных донных стаций (АДС), гидроа‑ кустических буев‑ретрансляторов; • измерительно-информационный комплекс обеспе‑ чения работы водолаза (ИКВ) «Нарочь‑2» с гидроа‑ кустической навигационной системой подводного позиционирования (ГНСПП) «Навля».

Акмобиль – саморазвертывающаяся мобильная распределенная донная антенна – предназначен для морской сейсморазведки и сейсмоакустического мони‑ торинга шельфовых месторождений углеводородов. Раз‑ работанные технические решения позволяют проводить автоматическое развертывание и свертывание донной сейсмокосы, в том числе под ледовым покровом. Эффек‑ тивность проведения подводной разведки и мониторинга месторождений углеводородов на арктическом шельфе на базе этих решений на несколько порядков выше, чем при помощи одиночных донных станций. Акмобиль может также использоваться в качестве сред‑ ства доставки и контроля подводных объектов.

Во время проведения испытаний были подтверждены расчетные характеристики режимов работы модуля само‑ развертывающейся мобильной распределенной донной антенны, а именно: • маневрирование на поверхности и в толще воды; • погружение-всплытие; • развертывание и свертывание сейсмокосы на пол‑ ную длину; • автоматическое удержание курса с заданной точно‑ стью; • автоматическое удержание глубины с заданной точ‑ ностью; • скорость движения при развертывании сейсмокосы; • скорость движения при свертывании сейсмокосы. Энергопотребление не превышало 2 кВт, поскольку ис‑ пытания проводились на малой глубине. Разработанный интерфейс достаточен для управления всеми режимами оператором, имеющим необходимую подготовку.

Комплект автономных донных стаций и гидроакустических буев‑ретрансляторов является инфокоммуникационной инфра‑ структурой морской системы, ориентированной на реализацию сете‑ центрического подхода в решении задач оперативного мониторинга. Цель работы – проведение комплекса исследований, направленных на проверку принципов организации информационного обмена меж‑ ду функционально самостоятельными элементами морской роботизи‑ рованной системы, а именно: • исследования путей совершенствования и технической реализа‑ ции систем и устройств подводного информационного обмена, • обеспечения их акустической совместимости; • исследования особенностей реализации межсредного информа‑ ционного обмена в интегрированных системах морского монито‑ ринга, интерфейсов согласования и протоколов взаимодействия; • инфраструктурного взаимодействия в интегрированных систе‑ мах морского мониторинга.

В процессе экспериментальных исследо‑ ваний подлежали оценке: • дальность связи; • достоверность передачи сигналов управления «судно – абонент»; • достоверность передачи дискретной информации от абонента на судно; • погрешности определения наклонной дальности между судном и абонентом; • скорость вхождения приемников в связь; • скорость передачи информации; • среднее время доставки информации абоненту; • помехозащищенность.

Измерительно-информационный комплекс обеспечения работы водолаза (ИКВ) «Нарочь‑2» с гидроакустической навигационной системой подводного позиционирования (ГНСПП) «Навля» предоставляет водолазу и руководителю спуска необходимую информа‑ ции о ходе погружения и обеспечивает связь и навигацию под водой. Предназначен для повышения безопасности и эффективности водолазных работ. Принципиально новой в приборе является функция контроля состояния водолаза биометрическими датчи‑ ками частоты пульса и дыхания с возможностью переда‑ чи данных руководителю спуска. На настоящий момент указанная функция не реализована ни в одном серийном приборе. В процессе экспериментальных исследований подле‑ жали оценке: • дальность передачи навигационных данных; • погрешности определения наклонной дальности между судном и водолазом; • точность определения глубины погружения водолаза; • возможность отслеживания движения легководола‑ за по заданному маршруту; • достоверность передачи сигналов управления с суд‑ на на абонента; • достоверность передачи от абонента на судно дис‑ кретной информации; • помехозащищенность.

Комплекс «Нарочь‑2» выполнял следующие функции: • контроль местоположения и пространственной ори‑ ентации водолаза по данным гидроакустической навигационной системы и встроенных датчиков глу‑ бины, курса, крена, дифферента; • контроль параметров самочувствия водолаза с по‑ мощью датчиков частоты дыхания и пульса; • контроль текущих параметров погружения: глубины, времени погружения, запасов дыхательной смеси, температуры воды; • обеспечение следования водолаза по заданному маршруту с отображением направления на заданные ориентиры; • акустическое изображение окружающей обстановки при подключении звуковизора; • обмен короткими текстовыми сообщениями между водолазами и руководителем спуска; • ретрансляция руководителю спусков всей инфор‑ мации о погружении по гидроакустическому каналу связи; • запись и воспроизведение всех показаний подклю‑ ченных приборов. Испытания проводились в светлое время суток при раз‑ личных гидрометеоусловиях и прошли успешно. Ход и результаты испытаний зафиксированы с помощью фото, видео, а также подводной видеосъемки.

СОВРЕМЕННАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ

часть II

Первая часть данного материала посвящена основным принципам радиолокации, технологическим признакам современного этапа развития этой отрасли, вопросам встраивания радиолокационных станций в информационные системы, а также методам обработки сигналов, полученных в различных диапазонах (опубликована в № 1 (2015) «Морские информационноуправляющие системы»). Во второй части затронуты вопросы высоких технических требований к современным РЛС, применения цифровых технологий в области радиолокации, также рассмотрены направления развития систем радиоэлектронной борьбы и перспективы сверхширокополосной радиолокации. АО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва

АО «Научно-производственное предприятие «Радар ммс»* Санкт-Петербург

Г.В. Анцев В.А. Сарычев * участники Технологической платформы «Освоение океана» 32

Возможности РЛС Радиолокационные системы должны реализовывать все возможности и обязаны учитывать все ограничения, которые дает использование электромагнитной волны радиодиапазона в качестве информационного носителя по проникающей способности, условиям распространения, рассеивающей способности, возможности концентрации электромагнитной энергии, которые рассматриваются на радиофизическом уровне применительно к формируемому в процессе радиолокационного наблюдения физическому полю. Вновь отметим, что именно радиолокация уже долгие годы остается основной технологией для дистанционного наблюдения объектов. В настоящее время различаются от 15 до 20 принципов дистанционного наблюдения [13], из них свыше 90% в той или иной степени базируются на локационных принципах. Эти возможности и ограни‑ чения можно свести к следующим положениям: • все функции радиолокационного наблюдения за целью в принципе являются взаимосвязанными. Отсюда возникают такие формулировки функций как «обнаружение-разрешение», «разрешение-распознавание» и т. д. (см., например, [17, 26]) с соответствующими характеристиками неопределенности. Все процедуры оценки координатных характеристик целей взаимно обусловлены, и указанная связь получающихся оценок увеличивается с ростом сложности радиолокационного сигнала, оцениваемой базой сигнала и относительной полосой частот. По этой причине специально выявляют класс узкополосных РЛС, где указанными взаимообусловленностями можно пренебречь (это и есть «традиционная радиолокация»). Такая взаимосвязь усиливается для целей, движущихся с ускорением, особенно для сверхманевренных целей, где кроме ускорения присутствует еще и «ускорение ускорения», и уже никак «не помогает» узкополосность используемых сигналов; • серьезные потенции сулит внедрение многопозиционного радиолокационного наблюдения ([1], характеристики рассеивающей способности целей подробно рассмотрены в [15]), которое можно организовать для РЛС. Основная идея многопозиционной радиолокации состоит в том, чтобы более эффективно, чем в обычных РЛС, использовать информацию, заключенную в пространственных характеристиках электромагнитного поля рассеяния цели. Благодаря совместной обработке информации о каждой цели, получаемой в разнесенных точках пространства (или в одной точке, но при облучении цели с различных позиций), достигаются основные преимущества многопозиционного радиолокационного наблюдения: –– возможность создания зоны действия требуемой конфигурации в зависимости от ожидаемой радиолокационной обстановки; –– более полное использование энергии в системе;

•

–– повышение разрешающей способности; –– большая точность измерения положения целей в пространстве; –– возможность измерения полного вектора скорости целей; –– повышение помехозащищенности по отношению к активным и пассивным помехами; –– увеличение надежности выполнения задачи; естественной мерой для оценки радиолокационного наблюдения выступает соотношение элемента разрешения и размера цели в районе ее расположения. Это обстоятельство приводит к тому, что РЛС, имеющие ограниченные возможности по размещению больших антенн (например, размещаемые на авиационном борту), стремятся использовать относительно высокочастотный диапазон; активная радиолокация обеспечивает прямые измерения таких координатных характеристик цели, как дальность, радиальная скорость, угловые координаты и угловые скорости. Все остальные характеристики цели (в том числе и некоординатные) оцениваются только косвенными методами; в радиолокации нет принципиальных проблем с обеспечением точности и разрешающей способности при измерении дальности и скорости, все основные проблемы с оценкой координатных характеристик связаны с измерением угловых координат. Из-за этого при малых расстояниях до цели) функциональные возможности радиолокационных сенсоров значительно отличаются от «дальнодействующих». Им дали название радиолокационных систем ближнего действия, а соответствующему направлению в радиолокации – ближней радиолокации. Функционирование РЛС на малых дальностях имеет ряд специфических особенностей, связанных с небольшой удаленностью их приемопередающих антенн от обнаруживаемых, как правило, протяженных объектов. Должны учитываться специфические особенности ближнего радиуса действия, такие как протяженный характер объекта, сравнимость геометрических размеров объекта с дальностью до него, многолучевой характер отражения сигналов от подобных объектов и т. д. Практика показывает, что в ряде случаев даже при сравнительно малых дальностях объект может не обнаруживаться из-за интерференционного гашения сигналов от центров рассеяния, здесь, напоминаем, проявляется такое свойство целей, как их шумы (по дальности, скорости, угловым координатам, поляризационному состоянию [1, 15, 24]); РЛС используют сигналы, в основном вызывающие только линейные механизмы при рассеянии сигналов целью. Эффекты так называемой нелинейной радиолокации (направлении в параметрической радиолокации, основанном на получении кратных 33

и комбинационных гармоник в рассеянном сигнале из-за присутствия искусственных или природных нелинейностей в структуре радиолокационной цели [15]) достаточно слабы (потому свойственны только ближней радиолокации) и не устойчивы; • активные РЛС имеют достаточно высокую заметность для средств радиоэлектронной разведки и весьма восприимчивы к помехам, особенно когда те грамотно синтезированы и поставлены.

Цифровые технологии в формировании радиолокационных сигналов Как правило, структура радиолокационного сигнала сегодня формируется на промежуточной частоте соответствующими цифровыми формирователями методом прямого цифрового синтеза (DDS). Синтезаторы DDS генерируют заданные по структуре сигналы в виде примыкающих друг к другу коротких радиоимпульсов, несущая частота, фаза и амплитуда которых изменяется от импульса к импульсу на заданную стабильную величину. Такие синтезаторы в принципе позволяют формировать основные виды радиолокационных сигналов, такие как импульсные сигналы с линейной и нелинейной частотной модуляцией, фазокодовой модуляцией, сигналов с частотнокодовой манипуляцией, квазинепрерывных сигналов – немодулированных и с ЛЧМ на пачке. Аналоговые способы генерации ЛЧМ-радиосигналов, как правило, не могут обеспечить требуемых девиации и линейности ЛЧМ-радиосигналов. Формиро‑ вание сложных сигналов обеспечивается расширением спектра, для чего в основном используются следующие методы: • FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) – псевдослучайная перестройка несущей частоты; • DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) – расширение спектра методом прямой последовательности; • CSS (Chirp Spread Spectrum) – расширение спектра методом линейной частотной модуляции. Современные синтезаторы DDS позволяют генерировать ЛЧМ-подобные радиосигналы (подобные, потому что частота изменяется скачкообразно, пусть и на небольшую величину) с девиацией частоты в несколько гигагерц, с высокой точностью и стабильностью. И хотя частота при DDS-формировании ЛЧМ-сигнала изменяется по ступенчатому псевдолинейному закону, фаза плавно изменяется без скачков и разрывов. В последние годы значительно возрос интерес к радиолокационным сигналам со ступенчатым (как регулярным, так и нерегулярным) изменением несущей частоты от импульса к импульсу, то есть к сигналам с межпериодной частотной манипуляцией. Обработка данных сигналов предполагает сохранение когерентности их структуры. В этой ситуации использование таких зондирующих сиг34

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Многообразие технологий применения РЛС, а также функций (режимов) требует применения различных зондирующих сигналов: непрерывных и импульсных, некогерентных и когерентных, простых и сложных, одночастотных и многочастотных, радиоимпульсов с эквидистантными и неэквидистантными периодами следования (с вобуляцией периода следования) и других. Выбор типа зондирующих сигналов зависит от технических требований к РЛС. Противоречивость требований вынуждает РЛС использовать несколько видов сигналов. налов дает целый ряд преимуществ по сравнению с обычными регулярными сигналами: • возможность получения общей широкой (сверхширокой) полосы всего сигнала (пачки импульсов) при использовании узкополосных импульсов в каждом периоде повторения; • значительное упрощение задач формирования, излучения, приема и аналого-цифрового преобразования сигналов в результате использования узкополосных (по мгновенной полосе) приемо-передающего тракта и антенно-фидерных устройств; • большая длительность импульсов и высокая частота повторения при когерентной обработке всей пачки импульсов обеспечивает необходимую энергию сигнала при низком уровне импульсной мощности; • перестройка несущей частоты зондирующего сигнала от импульса к импульсу, низкий уровень мощности импульса и узкая полоса частот значительно повышают скрытность излучения (снижают возможность обнаружения излучения и разведки параметров), а также затрудняют организацию эффективных помех; • когерентная обработка длительной пачки импульсов повышает помехоустойчивость приема; • обеспечивается достаточно большая степень свободы в выборе длительности импульса, частот повторения, девиации частоты и порядка следования частот от импульса к импульсу. Цифровое формирование радиолокационных сигналов имеет следующие преимущества перед аналоговыми: • цифровое управление амплитудой, частотой, фазой и поляризацией сигнала; • высокое разрешение по частоте и фазе; • быстрый переход на другую частоту или фазу, перестройка по частоте без разрыва фазы, что способствует уменьшению уровня фазовых шумов формируемого сигнала; • низкий уровень фазового шума и побочных компонентов;

• простота реализации различных видов модуляции, присущая цифровым способам синтеза; • универсальность, то есть возможность введения в исходный проект дополнительных типов сигналов за счет внесения изменений в управляющую программу и схемы синхронизации. Сегодня приемные и передающие тракты для РЛС, благодаря достижениям микроэлектроники, все чаще обеспечивают цифровую обработку сигналов непосредственно на радиочастоте. Радиоустройства, входящие в структуру РЛС, получили название программируемых, поскольку большинство их функциональных свойств формируется путем обработки оцифрованного радиочастотного сигнала. Такие устройства есть нынешняя компонентная база для внедрения технологий программируемого радиоканала (Software Defined Radio – SDR). Особенностью функционирования программируемых радиоустройств является присутствие на входе аналого-цифрового преобразователя всех сигналов, присутствующих в рабочем диапазоне частот. Как следствие этого, сигнальные воздействия характеризуются динамически изменяющимся уровнем и априорной неопределенностью параметров вследствие широкого варьирования радиолокационных сигналов, как по своим характеристикам, так и по структуре, а также распространения адаптивных радиосредств. Эта проблема обеспечения приема при различных уровнях входного сигнала особенно остро стоит в приемниках с цифровой обработкой. Здесь эффективными оказались аналого-цифровые тракты приемников с программноопределяемой архитектурой. Большое количество приемных устройств дает возможность значительно улучшить эксплуатационные характеристики РЛС без заметного увеличения цены.

Рис. 1. Пример радиолокационного изображения наземных объектов, полученного с помощью авиационной РЛС, – самолеты С‑130 на стоянке Pk 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 2

Определение некоординатных характеристик в традиционной радиолокации

Рис. 2. Зависимость качества распознавания от числа разрешаемых центров рассеяния

Некоординатные характеристики целей в радиолокации чаще всего оцениваются совокупностью параметров, каждый из которых выявляет вклад тех или иных механизмов рассеяния. Например, если цель групповая, то в качестве таких характеристик выступают импульсные ЭПР. В радиолокационном канале для определения соответствующих некоординатных характеристик цели должна быть налажена процедура разрешения блестящих точек и оценки их вклада в общий радиолокационный сигнал. Именно возможность «развала» цели на совокупность таких центров рассеяния позволяет сформулировать требования к разрешающей способности, достаточной для распознавания цели, что эквивалентно формулировке условий для выявления центров рассеяния. В [7, с. 196] приводится таблица требований к разрешающей способности для условий осуществления обнаруже-

ния и распознавания цели. При указанных в этой таблице значениях разрешающей способности по дальности и азимуту РЛС, призванная обеспечить обнаружение и определение местоположения объектов, становится способной сформировать изображение объекта и местности такого качества, что оператор может распознать интересующий его объект визуально по характерным признакам и принять обоснованное решение на атаку наземной цели после ее обнаружения (рис. 1). Из той же таблицы видно, что радиолокационная система с синтезированной апертурой, обеспечивающая требуемое разрешение (~ 0,15 м) и имеющая соответствующее качество радиолокационных изображений, может вскрыть практически все военные объекты. Мониторинг всех резидентных космических объектов требует получения разрешенных изображений No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

космических объектов с обеспечением не менее 30 ячеек разрешения по критическому линейному размеру, что соответствует разрешению не хуже 2 см для характеризации низкоорбитальных миниспутников (0,6–2,5 м). Но наиболее универсальным подходом к разрешению при оценке некоординатных характеристик представляется график зависимости вероятности распознавания объекта от числа элементов разрешения в площади объекта (рис. 2). График позволяет наглядно связать данные вышеприведенной таблицы с вероятностью классификации. Существует еще ряд технологий выявления характерных рассеяний в радиолокационном сигнале, базирующихся, например, на использовании поляризационной структуры такого сигнала [15].

О разрешающей способности РЛС Специалисты по радиолокации придерживаются следующего определения разрешающей способности, обосновываемого теорией статистических решений: под разрешением сигналов понимается указание числа сигналов, содержащихся в реализации смеси сигналов и помех, и определение параметров всех обнаруженных сигналов. Соответственно, разрешающая способность – это оценка характеристик информационной системы с точки зрения осуществления ею процедуры разрешения. Разрешение непосредственно проявляет себя при извлечении полезной информации из аддитивной смеси сигналов, образованных суперпозицией волн нескольких источников (объектов фоноцелевой обстановки), когда нужно осуществлять раздельное наблюдение этих источников по заданному параметру. Чаще всего именно такое раздельное наблюдение источников сигнала (в данном случае – радиолокационного) и называют разрешением, причем если речь идет о раздельном наблюдении в пределах классического (релеевского) элемента разрешения, то часто говорят о сверхрелеевском разрешении или сверхразрешении. Как известно, ширина релеевского элемента разрешения определяется как величина, обратная длительности выборки по заданному параметру. Введение такого понятия и, соответственно, его характеристики обусловлено тем, что любое радиолокационное наблюдение за объектом фоноцелевой обстановки ограничено по времени, частоте или по пространству, причем настолько, что источники радиолокационных сигналов, параметры которых необходимо оценить, как правило, остаются в пределах релеевского элемента разрешения. Сверхразрешения добиваются на основе применения методов цифровой обработки сигналов: MUSIC, ESPRIT, 36

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

максимальной энтропии [16], Кейнона, сверхвысокого разрешения, обратной свертки, фазовых взвешивающих коэффициентов, углового взвешивания, главных компонент, анализа независимых компонент, максимального правдоподобия, «теплового шума», Борджотти-Лагунаса, алгебраических методов и др. Следует отметить, что перечисленные методы не являются универсальными и далеко не всегда эффективны, тем более что почти все они требуют априорной информации о числе разрешаемых целей. Быстродействие большинства алгоритмов на основе приведенных методов недостаточно для работы в реальном времени. Кроме того, высока зависимость качества получаемых решений от уровня помех. Обеспечение высокой разрешающей способности можно рассматривать как процедуру пространственновременной фильтрации. Однако нужно также учесть, что пространственно-временная фильтрация есть одно из воплощений хорошо известных в радиоэлектронике технологий осуществления разрешения: пространственного SDMA (Space Division Multiple Access), временного TDMA (Time Division Multiple Access) и частотного FDMA (Frequency Division Multiple Access) разделения каналов. Достаточно долгое время используется еще и технология поляризационного разделения PDMA (Polarization Division Multiple Access), гарантирующая также полное «запечатывание» при приеме одного из каналов получения информации, используя различия в поляризационном состоянии сигналов (характерный пример – настройка антенной системы на нулевую поляризацию цели [15]). По этой причине понятно желание сопрячь технологию пространственно-временной фильтрации (пространственно-временной адаптивной обработки) STAP (Space-Time Adaptive Processing) с технологией PDMA. Все увереннее в радиолокации заявляют о себе кодовые технологии разделения каналов CDMA (Code Division Multiple Access) [9]. Технология PDMA имеет одну существенную особенность, в корне отличающую ее от иных технологий разделения каналов, – она допускает виртуальную реализацию [15]. После того как вектор электромагнитного поля (или совокупность векторов) оценен (зафиксирован), в процессоре РЛС можно сформировать радиолокационные сигналы или характеристики цели, соответствующие любой комбинации поляризаций для облучающей цель волны и для приемной антенны. В частности, здесь можно получить поляризации цели, гарантирующие максимум или минимум (то есть отсутствие) принимаемого от цели сигнала. Естественно, что такая виртуальная процедура способна еще и скорректировать влияние поляризационных характеристик антенн на традиционные реализуемые функции. Реальное «невиртуальное» воплощение технологий PDMA проводится настройкой и перестройкой антенн, что требует соответствующих временных, энергетических и аппаратурных ресурсов.

Современные РЛС – только с АФАР Достижения высокого разрешения по угловым координатам (технология SDMA) добиваются с помощью синтезирования антенного раскрыва [1, 2, 4–10, 17] (как прямого, так и инверсного), а также с использованием технологий фазированных антенных решеток – ФАР или активных фазированных антенных решеток – АФАР [3, 4, 11]. Синтезирование антенного раскрыва может рассматриваться как формирование виртуальной (то есть синтезируемой в процессоре РЛС по результатам последовательной серии радиолокационных наблюдений) ФАР. Антеннщики о ФАР и АФАР говорят как о технологии пространственного разнесения фазонаправленности парциальных диаграмм отдельных элементов решетки. Сейчас умы создателей РЛС занимают конформные ФАР, где отдельные антенны решетки располагаются по криволинейной поверхности объекта – например, самолета, когда такая конформная антенна располагается на поверхности фюзеляжа. Оказалось, что такие антенные решетки способны осуществлять широкоугольное сканирование с малыми искажениями формы луча и обладают значительной широкополосностью. У плоских ФАР (рис. 3) относительная ширина рабочего диапазона в процентах примерно равна ширине луча в градусах. Переход к выпуклым антенным решеткам позволяет не только устранить этот недостаток. С выпуклых поверхностей также возможно излучение широкополосных сигналов с заданным изменением коэффициента усиления. К существенным достоинствам выпуклых ФАР следует отнести увеличение шага излучателей по сравнению с плоской ФАР. Если элементы ФАР возбуждаются с одинаковой амплитудой, произведение длины апертуры (в длинах волн) на ширину луча (в градусах) примерно равно 51°. Антенные решетки с саморегулируемым амплитудно-фазовым распределением, устанавливаемым в зависимости от помеховой обстановки (например, выставлять нули диаграммы направленности на источники помехи, в том числе и движущиеся, сохраняя при этом характеристики сопровождения целей) называют адаптивными. Адаптивные ФАР обеспечивают также раздельное электронное сопровождение по угловым координатам многих целей. Радиоптические антенные решетки осуществляют формирование и обработку сигнала методами когерентной оптики. Решетки, в которых формирование и обработка ведется цифровыми процессорами, называются цифровыми ФАР. Совмещенные ФАР имеют в своем раскрыве два или более типа излучателей, каждый из которых работает в своем частотном диапазоне. Сегодня мощно развиваются интерферометрические технологии обеспечения угловой разрешающей способности РЛС, для чего используются несколько «рядов» антенн (чаще ФАР). Как правило, эти антенны устанавливаются вертикально, и сформированный ими интерферометр

Рис. 3. Пример плоской ФАР: модификация пассивной фазированной антенной решетки многофункциональной РЛС SPY‑1D для установки на военных эсминцах (США)

обеспечивает высокое разрешение по углу места, которое может быть виртуальным (например, РЛС осуществляет радиолокационную съемку, пролетая последовательно во времени на различных высотах или наблюдая под различными углами). Такие РЛС по понятным причинам получили название интерферометрических [1]. Итак, высокое разрешение по дальности РЛС обеспечивается сложными сигналами, по азимуту – синтезированием антенного раскрыва, а по углу места – организацией интерферометрического наблюдения. Все эти механизмы обеспечения разрешающей способности проявляют себя независимо друг от друга, а потому появился очень эффектный критерий оценки разрешающей способности РЛС – куб разрешения. В последние годы на повестку дня выходит требование, чтобы АФАР были устойчивы к воздействию оружия функционального поражения (например, мощных электромагнитных импульсов). Здесь большие надежды связываются с появлением нового полупроводникового материала – нитрида галлия (GaN), так как мощные GaNтранзисторы работают при напряжении 40–60 В против 6–9 В для GaAs-транзисторов. Особо необходимо обратить внимание на работы в области нанофотоники. В перспективе в созданных на ее основе АФАР, используя оптоволоконную распределительную систему, имеется возможность разнести излучатель и приемопередающие модули на сравнительно большие расстояния без ухудшения антенной системы с точки зрения потерь излучаемой мощности и снижения коэффициента шума на прием. Это, в свою очередь, позволит создавать не только конформные антенны, но и так называемую «умную обшивку», а также антенны, размещение которых невозможно из-за ограничений по их глубине на самолете и ракете. No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Информационное пространство РЛС Для РЛС на первый план сегодня выступает задача построения надежного информационного пространства или, как сегодня говорят военные, добиваться информационного превосходства. В контексте надежности информационного пространства РЛС стали заявлять о достижении целостности информации, понимаемой как способность РЛС обеспечивать адекватность оценок координатной и некоординатной информации об объектах фоноцелевой обстановки в условиях случайного или преднамеренного искажения (разрушения) информации. Современные требования к РЛС перестали отводить им пассивную роль при сохранении целостности информационного пространства. Они все чаще наделяются и активными функциями – создавать помехи в зоне боевых действий. РЛС сами стали источниками помех. Изза ограниченности имеющихся ресурсов остро ставится вопрос об организации этими системами достаточно эффективных мероприятий в рамках радиоэлектронной борьбы (РЭБ).

Обеспечение помехозащищенности РЛС В последнее время в связи с созданием электромагнитного оружия появилась возможность функционально подавлять и поражать РЛС. Все чаще разработчики РЛС говорят об информационном противодействии, под которым понимается комплекс мероприятий по снижению информационной защищенности противника. С этой точки зрения мероприятия по информационному противодействию радиоэлектронной борьбе и по ее организации выступают как важная составляющая информационного противодействия, а такое противодействие стало считаться именно оружием. Кроме мероприятий по радиоэлектронной борьбе к информационному противодействию относятся также технологии сокрытия реальной миссии РЛС. Средства радиоэлектронной борьбы призваны наносить удары, направленные на подавление системы радиоэлектронных средств и информационного ресурса противника. При дуэльной ситуации радиоэлектронные удары наносятся с обеих сторон военного конфликта. Организуется также и радиоэлектронная оборона (защита) собственных объектов и средств от подавления противником. Радиоэлектронные удары подразумевают заградительное и прицельное радиоэлектронное подавление. К настоящему времени традиционные методы и средства обеспечения помехозащищенности РЛС военного назначения, основанные на реализации их высокой помехоустойчивости, исчерпали себя. Особенно острой эта проблема стала с появлением в технике радиоэлектронного подавления цифровых устройств запоминания и воспроизведения сигналов на основе цифровой ра38

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

диочастотной памяти – DRFM (Digital Radio Frequency Memory), которые позволяют формировать активные когерентные имитационные помехи, не измеряя параметры подавляемого радиолокационного канала. На базе цифрового устройства запоминания и воспроизведения сигналов формируются также силовые шумовые помехи. В последние годы наряду с технологиями обеспечения энергетической, структурной и информационной скрытности вызревает еще одно направление обеспечения скрытности – использование стеганографических информационных технологий, которые условно можно отнести к маскировке на уровне информационной скрытности. К стеганографическим технологиям обеспечения ин‑ формационной скрытности следует отнести следующие: • управляемая демонстрация ложных демаскирующих признаков радиоэлектронных средств, объектов и фоноцелевой обстановки; • преднамеренное вторжение в радиосети и радионаправления, развертываемые в рамках соответствующих информационных платформ, для внедрения в них ложной информации и команд, искажения сведений, сигналов и позывных; • имитация интенсивности работы радиоэлектронных средств на второстепенных и ложных направлениях при сохранении скрытной работы на главном. Стеганография – наука о скрытой передаче или скрытом хранении информации. Стеганографическая дезинформация будет эффективна только при одновременной и комплексной работе средств, имитирующих наличие и движение радиолокационных целей, а также средств, маскирующих передаваемые сигналы для введения в заблуждение противника. Этому очень способствует то обстоятельство, что радиолокационные сигналы резко усложняют свою структуру, становясь ансамблевыми пачками, где в одной пачке сигналы могут быть простыми и сложными, когерентными и некогерентными, иметь разную частоту заполнения, сложный закон вобуляции, разные длительности, поляризацию. Здесь же уместно сказать о возможности комплексирования систем радиоэлектронной борьбы с информационными средствами иного функционального назначения. Например, различные средства РЭБ могут использоваться для решения задач навигации, связи, управления оружием и т. д., в том числе с привлечением SDR-технологий. В свою очередь, ряд информационных систем может привлекаться для решения задач РЭБ. Например, АФАР и передатчики РЛС могут применяться для радиоэлектронной борьбы, а при нанесении удара РЭБ передатчики могут использоваться для наращивания

энергетического потенциала радиолокационных каналов, в том числе с организацией подсвета, или решения задач управления оружием. Это заставляет формировать пачки сигналов более «высокого уровня», где все радиосредства «знают» свое место в излучаемой пачке сигналов, а противоборствующая сторона – нет. Положение осложняется тем, что эти пачки сигналов перед излучением еще и перепутываются с помощью соответствующего комбинационного кодирования. Сейчас стремятся направить помехи непосредственно в информационные платформы РЛС, превращая их в компьютерные вирусы, логические бомбы, ложные массивы и потоки информации. Они могут закладываться в информационные платформы заранее, переноситься с радиолокационными сигналами или проникать по иным информационным каналам, задействуемым для информационной поддержки функционирования РЛС. Такие помехи называют помехами информационной платформы.Они должны воспроизводить структуру сигналов, циркулирующих в поражаемом фрагменте информационной платформы, или быть способными трансформировать свою структуру для «прицельного поражения» заданного фрагмента. В данном случае информационные каналы РЛС превращаются в поле информационной войны. Компьютерные вирусы, логические бомбы и мины, программные закладки представляют примеры той разновидности помех информационной платформы, которые следует считать интеллектуальными помехами. Для РЛС должна быть обеспечена информационная безопасность, являющаяся из-за дуэльной ситуации и необходимости противодействия полностью непредсказуемой тактике радиоэлектронной борьбы прерогативой искусственного интеллекта. Причем для оборонного комплекса более важно обеспечить скрытность, а точнее, невосприимчивость к информационному оружию, чем помехозащищенность. Вообще говоря, цифровые технологии, которые нынче повсеместно используются в РЛС, значительно расширили номенклатуру средств обеспечения помехоустойчивости (цифровые фильтры, все чаще адаптивные и пространственно-временные), а также ввели в обиход новые виды помех, например, дискретные помехи, которые противопоставляются протяженным. Эта дихотомия проистекает не от вида помехи типа «импульсная – непрерывная», а от распределения во времени (точнее, по дискретам дальности, скорости и угловым координатам) корреляционных свойств помехи, а также ее корреляционной взаимосвязи с полезным сигналом.

Сверхширокополосная радиолокация Мы уже отмечали, что для условий радиолокационного наблюдения (при совмещенных приемной и передающей позициях) при оценке некоординатных параметров наиболее применим тот вариант теоремы единственности, где используются очень короткие зондирующие импульсы. Естественно, что существующие для генерации импульсов технологии накладывают определенные ограничения на достижимые длительность и мощность (энергию, амплитуду) импульсов, а потому предоставляемые в распоряжение специалистов по радиолокации импульсы получили специальное название сверхкоротких импульсов. Сегодня сверхкороткие импульсы связываются с импульсами наносекундной и пикосекундной длительности. Итак, с помощью сверхкоротких импульсов в принципе возможна идентификация объектов наблюдения, конечно не строгая, гарантируемая условиями теоремы единственности, в том числе и потому, что используемые импульсы недостаточно «сверхкороткие». Сверхкороткие импульсы занимают достаточно широкую полосу частот, а потому их относят к разряду сверхширополосных (СШП) сигналов. Характерной особенностью СШП радиолокационных систем являются: • высокая разрешающая способность по дальности и высокая точность измерения расстояния до цели и скорости цели; • возможность распознавания типа и класса объекта фоноцелевой обстановки, построения его радиоизображения (отражения зондирующего сигнала от разных точек объекта приводит к разрушению пространственной когерентности, в связи с чем отражения от элементов цели не интерферируют между собой, и при соответствующей компьютерной обработке дальностного портрета появляется возможность распознать форму и очертания объекта наблюдения); • высокая помехозащищенность; • возможность переноса существенно большего объема информации; • отсутствие боковых лепестков у автокорреляционной функции зондирующего сигнала; • возможность работы с малой дальности (отсутствие мертвой зоны), что очень важно для так называемой ближней радиолокации; • высокая электромагнитная скрытность, обусловленная не только кратковременностью излучения, но и похожестью спектра на равномерный спектр белого шума; • определение скорости цели без использования эффекта Доплера (при незначительном смещении цели регистрируемый отраженный импульс смещается на определенное расстояние); • возможность обнаружения небольших объектов на фоне отражений от подстилающей поверхности. No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Трехфазная антенна Круговая поляризация (коэффициент эллиптичности 0,9)

Всенаправленная антенна Круговая диаграмма направленности

Спирально-рупорная антенна Круговая поляризация (коэффициент эллиптичности 0,75)

Импульсные антенные решетки

Рис. 4. Антенные системы, разработанные АО «НПП «Радар ммс» для СШП-систем

В настоящее время известно достаточно много типов СШП-сигналов и антенн (рис. 4). Одна из возможных классификаций сигналов представлена в таблице. Согласно этой классификации, к традиционным типам СШП-сигналов относятся сверхкороткие импульсы и протяженные радиоимпульсы с внутриимпульсной модуляцией. К нетрадиционным типам сигналов относятся сверхкороткие видеоимпульсы (сигналы без несущей) и многочастотные сигналы, которые, в свою очередь, подразделяются на сигналы с последовательным и параллельным синтезом спектра. Все эти сигналы имеют собственные преимущества и недостатки, которые и определяют их применение. Так многочастотные сигналы с последовательным синтезом спектра представляют собой последовательности узко40

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

полосных радиоимпульсов с перестройкой несущей частоты. Суммарный спектр формируется после излучения, приема и обработки всей пачки импульсов. Основные преимущества таких сигналов – узкополосность передающих и приемных каналов ФАР, простота формирования и обработки. Недостаток – возможное нарушение когерентности сигналов за время формирования пачки, которое может быть вызвано как нестабильностью работы аппаратуры, так и флуктуациями объектов фоноцелевой обстановки. Сигналы с параллельным синтезом спектра представляют собой узкополосные радиоимпульсы, излучаемые различными каналами АФАР на различных несущих частотах. Кроме высоких требований к когерентности и синхронизации, основным недостатком таких сигналов является то, что по причине отличий в несущих частотах в пространстве сигналы различных каналов АФАР складываются некогерентно, в результате чего теряется одно из важнейших свойств антенной решетки – резонансное суммирование сигналов, излученных несколькими антенными элементами. Есть еще один способ ухода от всеракурсности наблюдения цели – это определение при фиксированном ракурсе наблюдения рассеянного сигнала на всех возможных частотах (конечно, здесь существуют разумные ограничения для ширины спектра как сверху, так и снизу хотя бы требованием фиксации только характерных процессов при рассеянии, но сейчас же говорится о тех ограничениях, которые устанавливает электродинамика). Естественно, что и наблюдение с помощью сверхкоротких импульсных сигналов также может рассматриваться на спектральном языке. Широкий спектр частот зондирующего сверхкороткоимпульсного сигнала гарантирует возбуждение в объекте радиолокационного наблюдения множества собственных электромагнитных резонансов. Такой спектр обеспечивает низкую эффективность маскировки объектов, достижимой снижением ЭПР методами, основанными на дифракции и интерференции волн, поскольку, как известно, абсолютное интерференционное подавление отраженного сигнала может быть осуществлено только на счетном множестве точек. Другое преимущество сверхкороткоимпульсных сигналов состоит в том, что воздействие на объект одновременно всех спектральных составляющих зондирующего сигнала делает измерение рассеивающей способности (а это некоординатный признак цели) объекта радиолокационного наблюдения оперативным. Объем, занимаемый сегодняшним сверхкороткоимпульсным сигналом в пространстве (импульсный объем), составляет несколько кубических дециметров, что позволяет различать отклики от отдельных элементов объекта мониторинга. При этом они оказываются развернутыми во времени. При рассмотрении указанных СШП-колебаний целесообразно описывать сиг-

Таблица

Основные типы СШП-сигналов Традиционные

Нетрадиционные

Сверхкороткий видеоимпульс

Многочастотные сигналы с последовательным и параллельным синтезом спектра

Уменьшение длительности, переход на видеочастоту

Синтез полосы в пространстве и времени

Тип сигнала

Сверхкороткий радиоимпульс

Протяженный радиоимпульс с внутриимпульсной модуляцией

Принцип формирования

Уменьшение длительности

Расширение полосы за счет внутриимульсной модуляции

Преимущества

Большая дальность действия в сочетании Простота формирования с высокой разрешающей Простота формирования и обработки и обработки способностью по дальности и малой импульсной мощностью

Узкополосность отдельных каналов ФАР, относительно высокая импульсная мощность

Недостатки

Требуемая высокая импульсная мощность, широкополосность каналов обработки

Высокие требования к синхронизации и когерентности сигналов и целей

Широкополосность каналов обработки

нал во временном представлении без применения соответствующих преобразований Фурье. Характерный пример, демонстрирующий эту целесообразность, – набор точечных отражателей, расположенных друг от друга на временных интервалах, бóльших длительности зондирующего импульса. В этом случае анализ рассеянного отражателями сигнала с точки зрения временной структуры позволит создать предпосылки для идентификации объекта радиолокационного наблюдения. Такой сложный отклик объекта на зондирующий импульс называется в радиолокации дальностным радиолокационным портретом (рис. 5). Среди сигналов с одинаковой шириной спектра видеоимпульсный сигнал (без какой-либо несущей частоты) занимает самую низкочастотную область используемого спектра. Это обеспечивает высокую проникающую способность как сквозь среду распространения (дождь, снег, туман), так и вглубь исследуемого объекта. Отметим причины, обусловившие сегодня высокий и устойчивый интерес к РЛС, использующим столь сложные с точки зрения традиционной радиоэлектроники сигналы. Во‑первых, постоянно сокращается время, за которое сигналы должны донести до пользователя всю необходимую для него информацию о наблюдаемой ситуации. Это в первую очередь связано с тем, что сегодня требуется управлять очень сложными объектами в реальном времени. Число состояний сигнала за этот промежуток времени (разнообразие используемой системы сигналов) должно быть не менее, чем соответствующее раз-

Требуемая высокая импульсная мощность, широкополосность каналов обработки

нообразие состояний наблюдаемой ситуации за тот же промежуток времени. Как показано в теории сигналов, разнообразие сигналов напрямую связано с их базой: (ƒВ‑ƒH) τ, где τ – длительность сигнала, ƒВ и ƒH – верхняя и нижняя граничные частоты спектра. Большая база сигналов дает возможность РЛС устойчиво функционировать в условиях мешающих воздействий за счет присущей им высокой информационной избыточности. Во‑вторых, широкополосные сигналы открывают громадные потенциальные возможности для распознавания наблюдаемых ситуаций, а значит устранения избыточности в информации об окружающей фоноцелевой обстановке, что, соответственно, улучшает управляемость, надежность

Рис. 5. Примеры радиолокационных портретов разных объектов: на море и в воздухе

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

и безопасность РЛС. СШП-сигналы обеспечивают высокую разрешающую способность и точность измерения координатных параметров, существенно повышают возможности по обнаружению целей, позволяют на качественно новом уровне решать задачи распознавания и построения радиолокационного изображения. Особый интерес с точки зрения перспективы использования СШП-сигналов вызывает разрабатываемая сейчас технология радиолокационной селекции и распознавания, основанная на подборе под конкретные цели (рассеиватели)зондирующих импульсов, обеспечивающих желательный отклик. В‑третьих, методы получения информации, использующие широкополосные сигналы и оперирующие непосредственно с временной структурой системы сигналов (нестационарные методы), в значительной степени универсальны – соответствующие аппаратные и программные средства относительно легко адаптируются к изменяющимся во времени и нелинейным целям. Основные достижения здесь связаны с использованием концепций и методов теории динамических систем и с физической интерпретацией процедур получения информации на основе решения нестационарных обратных электродинамических задач и, конечно, с использованием цифровой микроэлектроники. В‑четвертых, нестационарные методы получения информации о наблюдаемой ситуации, использующие широкополосные сигналы, дают возможность более наглядной интерпретации получаемой радиолокационной информации о целях. Например, короткоимпульсные РЛС обеспечивают возможность высокого пространственного, углового и частотного разрешения, а значит с их помощью удается существенно повысить отношение сигнал/помеха и получить качественные двух- и трехмерные изображения исследуемых объектов, в том числе и псевдоцветовые. В‑пятых, обычные стационарные методы, использующие узкополосные сигналы, накопили сейчас мощный арсенал концептуальных, методологических, теоретических, аппаратурных, программных средств, в значительной степени пригодных и для нестационарных методов со СШПсигналами. Эти средства позволяют выбрать применяемую систему сигналов, использовать, по крайней мере для экспериментальных образцов РЛС, измерительную аппаратуру, работающую в «последовательном» по ширине спектра режиме, моделировать широкополосные РЛС, выявить зависимость показателей эффективности системы от ширины спектра используемых сигналов, синтезировать эффективную систему сигналов и устройства их обработки. В‑шестых, вытекающие от использования сверхширополосных сигналов временные представления о процессах, протекающих при радиолокационном наблюдении целей, в большей степени отвечают физике происходящих процессов и явлений. При зондировании объекта монохроматическим сигналом все частные (локальные) механизмы 42

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

рассеяния суммируются линейно и когерентно, формируя все тот же, нечувствительный к нюансам рассеяния, фиксируемый монохроматический радиолокационный сигнал. В‑седьмых, методы сверхширокополосной радиоэлектроники непосредственно влияют на технологии и, самое интересное, на понятийный аппарат радиолокации. Так, например, в последнее время некоторыми исследователями стало постулироваться существование теории мгновенного спектра, а также вейвлет-анализа структуры сигналов. С помощью концепции мгновенного спектра удалось сформировать технологию трансверсальной фильтрации, позволяющую анализировать обнаружение целей в сочетании с высоким разрешением, что в первую очередь необходимо для организации распознавания радиолокационных целей. Наконец, методы исследования с помощью широкополосных сигналов, как более сложные и трудные, стали мощным источником появления широкого спектра интересных радиофизических и инженерных задач, что породило соответствующий внутренний интерес ученых и инженеров к широкополосным системам сигналов. Все эти факторы позволяют, на наш взгляд, безошибочно спрогнозировать широкополосные (нестационарные, временные) доктрины в развитии РЛС в качестве основных, поскольку здесь обеспечивается высокая детальность наблюдаемой окружающей обстановки из-за высокого разрешения и возможности специальными несинусоидальными сигналами «высвечивать» характер покрытия у цели. Даже если сама РЛС является традиционной (узкополосной), то сейчас становятся все более популярными технологии настройки, испытаний и эксплуатации, базирующиеся на применении СШП-сигналов для оценки его состояния, типа импульсных передаточных характеристик. Следует особенно подчеркнуть, что в случае применения СШП РЛС, противодействовать им можно только с помощью систем СШП-радиоэлектроники. Поэтому развитие систем РЭБ и электронного противодействия, базирующихся на технологиях СШП-радиоэлектроники, является абсолютно необходимым не только как альтернатива традиционным методам радиопротиводействия, но и как единственно возможным методом организации эффективной РЭБ. Необходимо отметить и ряд принципиальных недо‑ статков, препятствующих широкому использованию сверхкоротких импульсов в радиолокации: • более жесткие требования к выполнению норм по электромагнитной совместимости; • необходимость разработки сверхширокополосных систем приема и обработки сверхкоротких импульсов хотя бы во входных цепях; • повышенные требования к вычислительной производительности бортовых процессоров; • необходимость разработки мощных передающих устройств.

Концентрация с помощью сверхкороткоимпульсных сигналов мощности на малом временном интервале (а значит, и в пространстве) может вызывать в лоцируемых объектах нелинейные эффекты, что является особо ценным в задачах нелинейной локации (для обнаружения и идентификации объектов на основании их нелинейных свойств, например, скрытых радиоэлектронных устройств, содержащих полупроводниковые компоненты, залежей или тайников некоторых металлов, оксиды которых проявляют нелинейные свойства). Кроме того, использование импульсного сигнала в нелинейной локации позволяет наряду с оценкой нелинейных свойств объекта оценивать его пространственное положение. Использование импульсных сигналов позволяет фиксировать также нелинейность быстропротекающих процессов, например ударных волн. Можно следующим образом определить преимуще‑ ства СШП-систем с импульсными сигналами: • малая спектральная плотность мощности у применяемых сигналов, поскольку их энергия получается «размазанной» на значительном интервале частот, что приводит к весьма малой мощности в каждом из узких частотных диапазонов, используемых традиционными (узкополосными) радиоэлектронными системами. Появляется возможность вторичного использования уже занятых частотных диапазонов без существенных помех классическим радиоэлектронным системам. Важно, однако, отметить, что синусоидальные сигналы различных частот, используемые в обычных системах связи, и сигналы, используемые импульсными системами, не являются взаимно ортогональными в строгом смысле этого слова. Речь идет только об асимптотической ортогональности при неограниченном увеличении базы используемой импульсной последовательности, что при неизменной ширине спектра используемого импульсного сигнала эквивалентно неограниченно малому трафику информации в традиционной импульсной системе радиосвязи. Это утверждение является одним из аргументов проявления высокой скрытности сверхширокополосных импульсных радиолокационных систем самонаведения. Здесь плотность мощности может быть обеспечена ниже уровня шума, и СШП импульсная система самонаведения никак себя не обнаруживает в дальней зоне передатчика; • высокая устойчивость к поражению сигнала в отдельных частотных диапазонах. Здесь гарантируется устойчивость к частотно-селективным замираниям сигнала, вызванным, например, интерференцией, а также к естественным или намеренно создаваемым узкополосным помехам, таким как сигналы узкополосных систем. В случае использования сверхкоротких импульсов отсутствуют интерференционные точки замирания

в сложной окружающей обстановке. Указанные СШПсигналы обеспечивают наименьшее затухание используемых в радиоэлектронике сигналов при прохождении сквозь препятствия, такие как листва, стены и т. п.; • возможность использования малых по своим массогабаритным характеристикам антенн и, как уже говорилось, передатчиков и приемников; • еще более важным, особенно в долгосрочной перспективе, является отказ от частотной фильтрации (в которой последние 20 лет наблюдался очень медленный прогресс), в том числе и для радиолокационных систем самонаведения, и переход к чисто цифровой технике (которая последние 20 лет развивается экспоненциально в соответствии с законом Мура, который гласит, что с 1965 года число транзисторов в компьютерных микросхемах должно каждые полтора года удваиваться); • импульсный трансивер СШП-систем со сверхкороткими импульсами получается проще, чем классические приемопередатчики. Передатчик – это просто транзистор, который функционирует в цифровом режиме и переключается из состояния «0» в состояние «1». Таким образом, в отличие от стандартных передатчиков такой трансивер не содержит линейных усилителей, что уменьшает стоимость и потребляемую мощность. Приемник также проще, чем узкополосный приемник, поскольку здесь не требуются ступени промежуточной частоты. На современном уровне развития микроэлектроники передатчик импульсов и внешний интерфейс приемника могут быть выполнены в одной микросхеме. Становится возможным при решении всего многообразия задач, реализуемых СШП-системами, использовать технологии, базирующиеся на одном и том же универсальном наборе элементов, путем изменения только управляющих программных кодов. Используемое при обеспечении электромагнитной совместимости кодовое разделение каналов (CDMA) является тут «врожденным» свойством. Интенсивное развитие техники СШП-радиолокации, радиосвязи и радиотехнического контроля излучений потребовало разработки и создания адекватных антенных систем, способных излучать и принимать короткие импульсные сигналы, не внося существенных искажений в форму передаваемых сигналов. Особенно это требование выступает на первый план, когда используются видеоимпульсы наносекундной и пикосекундной длительности. В результате антенна должна излучать радиосигнал, спектр которого занимает широкую полосу частот – до нескольких гигагерц. На приемном конце радиоканала производится выделение сигнала путем линейной обработки, осуществляемой в частотной или временной области. С другой стороны, антенная система должна обеспечить примерно одинаковую точность измерения угловых координат No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

годов ХХ столетия. Соответствующая работа была опубликована в закрытой печати. Данное обстоятельство привело к тому, что в 70‑х годах антенна была изобретена снова и получила название антенны Вивальди (рис. 6). Хотя расширяющаяся щель антенн Вивальди не гарантирует линейность фазочастотной характеристики, благодаря отсутствию в их конструкции резонирующих элементов и высокой эффективности излучения (КПД) антенны такого типа очень привлекательны для использования в сверхширокой полосе частот.

Излучающая часть антенны Вивальди

Питающая ЩЛ

металл

Y Y2

направление излучения

E-поляризация

диэлектрик

Рис. 6. Внешний вид современной сверхширокополосной антенны Вивальди, работающей в диапазоне частот 6–8 ГГц

во всем рабочем диапазоне частот. Чтобы удовлетворить этому требованию, приемопередающая антенна должна обладать равномерной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне частот, охватывающем спектр сигнала. При этом фазочастотная характеристика антенны должна быть линейной. Антенны, работающие в сверхшироком диапазоне частот, перекрывающем декаду, перспективны и для традиционных, узкополосных радиотехнических систем, поскольку в ряде случаев позволяют сократить число антенн, применяемых для перекрытия широкого диапазона частот, и тем самым улучшить эксплуатационные характеристики радиосистем. В силу ряда объективных причин использование классических частотно-независимых антенн невозможно. В последние годы обозначилась тенденция использования в качестве такого излучателя (приемной антенны) вибраторных антенн и антенн, излучающие проводники которых образуют щель, расширяющуюся в направлении максимума излучения. По-видимому, впервые излучатель такого типа был предложен Б. И. Молодовым в начале 50‑х 44

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Весьма целесообразными являются следующие режи‑ мы работы радиолокационных систем со сверхкорот‑ кими импульсами: • мониторинг воздушного, наземного и морского пространства и высокоточные измерения координат различных объектов с высоким разрешением в условиях группового применения; • распознавание вплоть до типа целей; • подповерхностный мониторинг; • обнаружение наземных целей, скрытых в лесных массивах; • работа на сверхмалых дальностях, в том числе и при предотвращении различных коллизий; • преодоление Stealth-технологий; • СВЧ-оружие. Подповерхностная радиолокация может быть реализована только на принципах использования СШП-сигналов и в этом смысле не имеет аналогов. Она предполагает «видение» объектов поиска за естественными преградами, такими как листва, средства маскировки или почва. Уже сегодня бортовые вертолетные системы позволяют вскрывать противопехотные мины с вероятностью близкой к 1. Несмотря на внешнюю схожесть с радиолокацией, подповерхностная радиолокация имеет ряд принципиальных отличий, определяемых спецификой системного применения и обработки информации в приемном канале. По этой причине, сегодня подповерхностная радиолокация обычно выделяется в самостоятельный класс, хотя с точки зрения построения излучающей системы (имеется в виду генератор сигнала и антенна) оба класса идентичны.

Сегодня не известен ни один принцип традиционной радиолокации, кроме с применением СШПсигналов, обеспечивающий реализацию всего рассмотренного здесь списка функций радиолокационных систем – от определения некоординатных характеристик целей до наблюдения укрытых объектов.

ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4.

правочник по радиолокации. В двух книгах / Под ред. М. Сколник. – М.: Техносфера, 2014. С Верба В.С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. – М.: Радиотехника, 2014. Перунов Ю.М., Мацукевич В.В., Васильев А.А. Зарубежные радиоэлектронные средства. В 4-х книгах. – М.: Радиотехника, 2010. Канащенков А.И., Меркулов В.И., Самарин О.Ф. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. – М.: ИПРЖР, 2002. 5. Лавров А.А. Радиолокационный скоростной портрет цели. Основы теории. – М.: Радиотехника, 2013. 6. Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. Многофункциональные радиолокационные системы. – М.: ООО «Дрофа», 2007. 7. Многофункциональные радиолокационные комплексы истребителей / Под ред. В.Н. Лепина. – М.: Радиотехника, 2014. 8. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. – М.: Радиотехника, 2005. 9. Радиолокационные системы авиационно-космического мониторинга земной поверхности и воздушного пространства / Под ред. В.С.Вербы и Б.Г. Татарского. – М.: Радиотехника, 2014. 10. Авиационные системы радиоуправления / Под ред. В.С. Вербы и В.И. Меркулова. – М.: Радиотехника, 2014. 11. Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства / Под ред. В.С. Вербы и А.П. Курочкина. – М.: Радиотехника, 2014. 12. Анцев Г.В. Цель – прогресс и процветание. – СПб.: Скифия, 2010. 13. Звежинский С.С., Иванов В.А. Классификация и информационно-измерительные модели средств обнаружения // Специальная техника. – 2007. – №6. 14. История отечественной радиолокации. – М.: Столичная энциклопедия, 2015. 15. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. В трех томах. – М.: Радиотехника, 2005-2007. 16. Караваев В.В., Сазонов В.В. Статистическая теория пассивной локации. – М.: Радио и связь, 1987. 17. Справочник. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д. Ширман. – М.: Радиотехника, 2007. 18. Васильев С.Н., Жерлов А.К., Федосов Е.А., Федунов Б.Е. Интеллектное управление динамическими системами. – М.: Физматлит, 2000. 19. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели. – М.: Радио и связь, 1982. 20. Крыжановский Г.А., Кузьмин Б.И., Сарычев В.А. и др. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. – М.: ИКЦ Академкнига, 2003. 21. Горохов В.Г. Методологический анализ развития научно-технических дисциплин на примере теоретической радиолокации. Системные исследования. Методологические проблемы. Ежегодник 1983. – М.: Наука, 1983. 22. Биард Р.У., Мак Лэйн Т.У. Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика. – М.: Техносфера, 2015. 23. Конторов Д.С., Голубев-Новожилов Ю.С. Введение в радиолокационную системотехнику. – М.: Сов. радио, 1971. 24. Островитянов Р.В., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протяженных целей. – М.: Радио и связь, 1982. 25. Валеев В.Г. Нелинейная обработка сигналов. – М.: Радиотехника, 2013. 26. Обнаружение, распознавание и определение параметров образов объектов / Под ред. А.В. Коренного. – М.: Радиотехника, 2012. 27. Шипунов А.Г., Семашкин Е.Н. Всепогодность радиолокационных и тепловизионных каналов наведения комплексов ВТО. – М.: Машиностроение, 2013. 28. Мощные надгоризонтные РЛС дальнего обнаружения: разработка, испытания, функционирование / Под ред. С.В. Боева. – М.: Радиотехника, 2013. 29. Шелухин О.И., Тенякшев А.М., Осин А.В. Фрактальные процессы в телекоммуникациях. – М.: Радиотехника, 2003.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

ТРЕНАЖЕРНый КОМПЛЕКС ДЛЯ ОБУЧЕНИЯ ОПЕРАТОРОВ ТЕЛЕУПРАВЛЯЕМЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ С каждым годом сложность технологических операций, выполняемых с помощью необитаемых подводных аппаратов, возрастает. Это влечет за собой увеличение объема обрабатываемой информации, психологических нагрузок на операторов, количества сбоев в работе оборудования, и, в свою очередь, требует создания более совершенных технических средств обучения специалистов. Из-за риска аварий и утраты дорогостоящей аппаратуры подготовка операторов этого типа аппаратов в реальных условиях не осуществляется, для выработки начальных профессиональных навыков применяются специально разработанные тренажеры. АО «Центральный научно-исследовательский институт «Курс»* Москва В.В. Ханычев, Т.С. Клименко, М.А. Милованов, А.В. Илларионов *АО «Концерн «Моринсис-Агат»

Введение Анализ существующих тренажеров для обучения операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) зарубежной и отечественной разработки [1–9] выявил ряд недостатков, основными из которых являются: • несоответствие органов управления тренажера реальным органам управления телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов – в ряде тренажеров вместо реальных пультов управления используются игровые джойстики, отсутствует счетчик оборотов кабеля ТНПА в интерфейсе оператора и т.д.; • отсутствие возможности создания новых миссий – инструктор может выбрать один из нескольких заданных разработчиком миссий; • ограничения на управление миссией: не предусмотрены возможности ее приостановки, сохранения в произвольной точке с последующей загрузкой; • изменение параметров внешней среды (направления и скорости течения, глубины) в ходе выполнения миссии; • отсутствие возможности формировать отчеты о ходе миссий, сохранять и повторно просматривать процесс выполнения заданий обучаемыми; • неполнота имитируемой обстановки: не учитываются взаимодействие внешних объектов с аппаратом, тип грунта, помехи при имитации акустики, некорректно отрабатываются удары аппарата о дно и т. п.; • не предусмотрена возможность изменения набора навесного оборудования, конструкции аппарата. В 2014 году в АО «ЦНИИ «Курс» по заказу МЧС России разработан тренажерный комплекс для подготовки операторов по управлению ТНПА, учитывающий указанные недостатки.

тора, а слева от нее – стойки операторов управления ТНПА и оператора манипулятора. Инструктор может формировать миссию в виде обстановки виртуальной среды с различными особенностями рельефа и характера дна, видимости в воде, скорости и направления течения, расположения различных объектов и т. д. Предусмотрена возможность добавления новых объектов с заданием свойств для каждого из них (редактор миссий). На мониторах отображается текущее положение аппарата. Рабочее место инструктора позволяет загружать предустановленные или заранее сформированные им миссии. Для создания миссий можно использовать: • базу имеющихся в редакторе миссий трехмерных объектов внешней обстановки; • построенные инструктором трехмерные объекты (с помощью стороннего программного обеспечения); • цифровые модели реального рельефа дна, позволяющие отрабатывать сценарии операций при подготовке к выполнению сложных задач в открытом море. Для контроля процесса обучения предусмотрены такие возможности, как: • отслеживание действий операторов; • сохранение и регистрация данных для последующего воспроизведения хода выполнения миссии операторами; • автоматизированная оценка действий операторов, формирование отчета о выполнении миссии.

Назначение и особенности комплекса Тренажерный комплекс предназначен для проведения занятий и тренировок операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов Falcon, Panther+, Tiger, «Обзор» с целью поддержания и повышения их профессионального мастерства при выполнении следующих видов работ: • осмотр трубопроводов и кабельных линий; • установка гидроакустических маркеров и подъем предметов; • ведение поисковых и обследовательских операций в прибрежных морских или внутренних водах; • поиск и разминирование невзорвавшихся боеприпасов в морской (пресной) воде; • поддержка подводно-технических операций, выполняемых водолазами; • исследование подводных объектов (корпусов кораблей, затонувших самолетов, подводных лодок и т. д.). На фотографии (рис. 1) представлен внешний вид тренажерного комплекса. Справа расположена стойка инструк-

4 1

Рис. 1. Тренажерный комплекс для обучения операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов различных типов: 1 – автоматизированное рабочее место оператора манипуляторов (навесного оборудования) 2 – автоматизированное рабочее место оператора управления ТНПА 3 – автоматизированное рабочее место инструктора 4 – реальные пульты управления

Рис. 2. Элементы управления телеуправляемым необитаемым подводным аппаратом: 1 – пульт управления движением; 2 – пульт управления манипулятором; 3 – экран TouchScreen

Оператор манипулятора управляет манипулятором телеуправляемого необитаемого подводного аппарата и отслеживает информацию, поступающую от имитируемой гидроакустической навигационной системы на верхнем экране стойки. Оператор ТНПА управляет движением подводного аппарата, ориентируясь по изображению с его камер и данными гидролокатора кругового обзора. Управление осуществляется при помощи как пультов ТНПА и манипулятора, так и специально разработанных для данного тренажера реплик. Стойки операторов позволяют: • формировать имитируемую внешнюю обстановку, наблюдаемую через камеру телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов; • управлять ТНПА; • рассчитывать динамику перемещения элементов манипулятора в воде, захват манипулятором предметов,

размещенных в водной среде (инструментов, мин, тросов, обломков, растительности и т. д.); • контролировать параметры движения и состояние систем ТНПА; • реагировать на внешние воздействия (течение, удары о препятствия).

Элементы управления Управление имитируемыми телеуправляемыми необитаемыми подводными аппаратами и манипуляторами на тренажере выполняется с помощью оригиналов пультов управления или специально разработанных аналогов (рис. 2). Аппаратно-программный интерфейс разработан с использованием библиотеки DInput, включенной в состав стандартного пакета DirectX.

Рис. 3. Имитация работы гидролокатора: на левом рисунке – имитация сигналов гидролокатора кругового обзора SeaKing и SeaPrince, на правом – отображение имитируемых сигналов с помощью SeanetPro

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Рис. 4. Имитация отображения информации гидроакустической навигационной системы (аналог TrackLink)

Дополнительный интерактивный пульт управления ТНПА Panther+ представлен в виде экрана TouchScreen, манипуляции с пультом производятся прикосновением к соответствующим элементам управления. Программа выполнена с использованием библиотеки WindowsAPI.

Имитация и отображение внешней обстановки Имитация работы гидролокатора осуществляется при помощи двух программ: специально разработанного имитатора сигналов гидролокатора кругового обзора SeaKing и SeaPrince и программного обеспечения SeanetPro, которое предназначено для отображения сигналов гидролокатора кругового обзора, применяемого при управлении реальными ТНПА типов Falcon, Panther+, Deep Ocean и др. (рис. 3). Имитация отображения информации гидроакустической навигационной системы происходит с помощью специально разработанного аналога реальной гидроакустической системы позиционирования TrackLink (рис. 4). Физические процессы в учебно-тренировочном комплексе имитировались с помощью библиотеки физики Bullet (Bullet Physics Library) – свободно распространяемо-

го физического движка реального времени. Bullet активно используется в компьютерных играх, фильмах, программах трехмерного моделирования. Основные возможности Bullet: просчет столкновения таких фигур, как сфера, параллелепипед, цилиндр, конус, выпуклый корпус; реализация алгоритма расчета столкновений Гилберта-Джонсона-Кёрти; поддержка физики мягких тел и тканей, а также гидродинамики сглаженных частиц и др. Для имитации и визуализации внешней обстановки используется специально разработанное математическое и программное обеспечение. На рисунках 5–11 представлены примеры отображения моделируемой обстановки на экранах тренажерного комплекса. На каждом автоматизированном рабочем месте тренажерного комплекса установлено интерактивное электронное техническое руководство (рис. 12), которое предназначено для первоначального обучения операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов. Это руководство содержит данные руководств по эксплуатации ТНПА Falcon, Panther+, Tiger, «Обзор» о составе, функциональности, управлении, комплектующих, техническом обслуживании. No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. Надводная обстановка

Рис. 6. Подводное освещение

Рис. 7. Прозрачность воды

Рис. 8. Растительность на дне

Заключение Особенностями и преимуществами разработанного тренажерного комплекса для обучения операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов являются: 1. Использование штатных пультов управления ТНПА (а не игровых джойстиков, как в некоторых других тренажерах) с возможностью настройки управления. 2. Возможность изменения конструкции ТНПА и комплекта навесного оборудования в пределах, позволяющих сохранить адекватность работы модели; моделирования инструктором сцен для тренировок, позволяющая ему добавлять в предустановленные тренировочные миссии самостоятельно созданные трехмерные объекты, а также изменять параметры рельефа дна и внешней среды. 3.  Автоматизированная оценка действий операторов и формирование отчета. 4. Запись и последующее воспроизведение прохождения операторами миссии. 5.  Наличие справочной информации об устройстве и правилах эксплуатации ТНПА. 6. Возможность добавления новых типов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов. 7.  Моделирование процессов воздействия течения на планктон и растительность. 8. Адекватная отработка внешних воздействий. 52

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Рис. 9. Мина

Тренажный комплекс разработан с использованием отечественных комплектующих, независимо от западных производителей имитируемых аппаратов. В декабре 2014 года он прошел государственные испытания, в январе 2015 года передан в Туапсинский филиал отряда «Центроспас». Прошедший период опытной эксплуатации показал адекватность поведения виртуального аппарата характеристикам реального образца. Предложенная архитектура тренажерного комплекса является открытой, что позволяет адаптировать тренажер к другим типам аппаратов и другой комплектации навесного оборудования.

Рис. 10. Бомба, трубопровод

Рис. 11. Взаимодействие с грунтом

Рис. 12. Интерактивное электронное техническое руководство для первоначального обучения операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов

ЛИТЕРАТУРА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Алексеев Ю.К. Введение в подводную робототехнику – Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2008. – 295 c. Мокеева И.Г., Болдырева Е.И, Алексеев Ю.К. Уроки бухты березовой – Владивосток: Издательство ДВГТУ, 2006. – С.9–10. http://www.tritech.co.uk/www.tritech http://www.marport.com http://www.evologics.de/en/products/acoustics/S2CR_USBL_Modem.html http://www.gavia.is http://www.seebyte.com http://www.tetis-pro.ru Вельтищев В.В. Организация технических средств подготовки операторов подводных аппаратов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». – 2012. – С. 24–31. 10. Клименко Т.С., Илларионов А.В., Милованов М.А. Облик учебно-тренировочного комплекса для подготовки операторов телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов // Научно-технический журнал судостроительной промышленности РФ «Проблемы развития корабельного радиоэлектронного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования». – 2014. – Вып. 3. – С. 83–94. 11. Илларионов А.В., Шеховцова И.В. Система задания и отображения обстановки на базе ГИС // Проблемы развития корабельного вооружения и судового радиоэлектронного оборудования. – 2012. – № 01. – С. 10–19.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Перспективы радиолокационной диагностики пленок на морской поверхности

Институт прикладной физики РАН Москва С.А.Ермаков, И.А Сергиевская, И.А. Капустин * участник Технологической платформы «Освоение океана»

Интерес к дистанционному обнаружению и диагностике пленок на морской поверхности возрос в последние годы в связи с увеличением риска загрязнения водной поверхности как в шельфовой зоне, так и в открытом океане. Совершенствование технических средств дистанционной диагностки, в частности, размещаемых на спутниках и самолетах, позволяет реализовать такую возможность на обширных акваториях. В работе рассмотрены методы и средства диагностики пленок, базирующиеся на информации о степени гашения волн пленками различной природы в разных диапазонах длин ветровых волн. С расширением объемов добычи и транспортировки нефти судами и по нефтепроводам увеличивается риск аварий, приводящих к разливам топлива в океане, в том числе и при заправке судов, попадания в его воды отходов промышленных предприятий, а также биогенных загрязнений вблизи областей с повышенной биологической активностью (морскими фермами и областями скопления фитопланктона). Эти загрязнения образуют на поверхности пленку, которая гасит короткие гравитационно-капиллярные волны. Области с пониженной интенсивностью мелкомасштабных волн называются сликами, в названии слика часто указывается причина его возникновения, например – пленочный слик. Эти участки проявляются в радиолокационных и оптических изображениях как области с пониженной интенсивностью сигналов, и следовательно, могут быть обнаружены. Однако в приповерхностном слое океана встречаются и другие процессы, которые приводят к перестройке спектра ветрового поверхностного волнения, ослабляя резонансную рябь, например – зоны локализованной турбулентности, гидрологические фронты, поверхностные проявления океанических внутренних гравитационных волн, дождевые ячейки, зоны апвеллинга (процесс, при котором глубинные воды океана поднимаются к поверхности) и наиболее часто – области локального уменьшения приповерхностного ветра (ветровые слики). [1, 2]. Поэтому уменьшение интенсивности радиолокационного или оптического изображения поверхности не может являться 55

достаточным для обнаружения пленки на морской поверхности. Обычно слик ассоциируется с пленкой, если присутствует еще ряд признаков, например, близость возможных источников загрязнения, характерные формы пленочных сликов, резкость границ и т. д. (см. рис. 1 и 2), информация о степени уменьшения интенсивности сигнала при анализе обычно не учитывается. Однако использование подобных критериев идентификации пленочных сликов часто приводит к ошибкам.

Радиолокаторы как инструмент наблюдения пленочных загрязнений являются наиболее эффективным средством дистанционного зондирования океана. Сегодня области потенциального загрязнения могут быть достаточно легко идентифицированы на радиолокационных изображениях, а измерение геометрических характеристик и площадей

пятен не представляет практических затруднений [4]. Однако такие важнейшие задачи, как достоверность причины возникновения слика, определение типа загрязнения (искусственное или естественное) и его характеристик остаются фактически не решенными. Наибольшее число радиолокационных систем наземного базирования, предназначенных для обнаружения пленок на морской поверхности, представляют собой радиолокаторы Х‑диапазона. Примером таких систем являются морские радары Oil Spill Detection Radar (OSDR), производимые различными компаниями, в частности, Consilium, Норвегия [5], Miros, Норвегия [6], Sea-Hawk Navigation AS, Норвегия [7], OceansAdvance Inc., Нидерланды [8], NortekAS, Норвегия-США [9]. Системы OSDR основаны на использовании судовых навигационных радаров и блоков цифровой обработки изображения морской поверхности с целью выделения областей пониженной интенсивности радиолокационного сигнала. Это некогерентные одночастотные радиолокаторы, которые способны при определенных условиях обнаружить область пониженного радиолокационного сигнала, но не могут определить ее природу. Как правило, эти системы устанавливаются вблизи возможных источников загрязнения на водной поверхности: на океанических платформах, судах, на берегу в районах портов, мест бункеровки и пр. Обнаружение загрязнений (чаще всего нефтяных) вдали от берега проводится на основе анализа спутниковых оптических, а также радиолокационных изображений, последние обычно отвечают Х‑ или С‑диапазонам СВЧ (например, соответственно, для спутников TerraSAR или ERS1,2 и Envisat). Комплексный анализ изображений с использованием карт течений и данных о скорости ветра позволяет с некоторой степенью надежности обнаружить загрязнения и проследить их движение по поверхности моря.

Рис. 1. Изображение нефтяного разлива в Мексиканском заливе вблизи нефтяной платформы ВР (2010, Terra-SAR-X) [3]

Рис. 2. Изображение сликов неизвестного происхождения, маркирующих течения вблизи Новороссийской бухты со спутника Envisat ASAR, 03.08.2006. (http://www.iki.rssi.ru/simp)

Исследования, проведенные в последние годы, показывают, что пленки, образованные разными веществами, обладают разными физическими характеристиками, которые так же, как и анализируемые длина волны и скорость ветра, влияют на интенсивность гашения ветровых волн. Поэтому развитие методов и средств диагностики пленок базируется на информации о степени гашения волн пленками различной природы в разных диапазонах длин ветровых волн и связывается, в частности, с созданием многочастотных радиолокационных систем, позволяющих получить такую информацию.

Радиолокационные системы обнаружения пленок на морской поверхности

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Многочастотные радиолокаторы, к которым относятся и многочастотный радиолокационный комплекс (МРЛК) «MARS» миллиметрового и сантиметрового диапазонов, сконструированный и построенный в ИРЭ НАНУ (Харьков) [10], и пятичастотный радиолокатор HELISCAT [11], работающий одновременно в L‑, S‑, C‑, X‑ и Ku-диапазонах, использовались в основном для исследовательских целей, в частности, для изучения воздействия пленок на ветровые волны.

Результаты комплексных исследований гашения волн пленками в разных спектральных диапазонах С целью развития новых радиолокационных методов диагностики пленок на морской поверхности в последнее время были проведены комплексные исследования гашения ветровых волн пленками в разных спектральных диапазонах. В частности, проведены лабораторные исследования затухания коротких гравитационных волн на пленках поверхностно-активных веществ (ПАВ), а также пленках сырой нефти и нефтепродуктов при разных толщинах пленок с использованием метода параметрических волн, развитого в ИПФ РАН [12]. Разработанная модель затухания волн на поверхности двухслойной жидкости позволяет по данным измерений затухания гравитационнокапиллярных волн восстанавливать основные физические параметры пленок. Определен круг параметров, наиболее сильно влияющих на затухание волн: для мономолекулярных пленок, к которым относятся и естественные морские пленки, это упругость и, в меньшей степени, коэффициент поверхностного натяжения; для нефтяных – к перечисленным добавляются толщина и вязкость нефти. Показано, что пленки различной природы характеризуются разными величинами этих параметров [13, 14]. Изучение гашения ветровых волн проводилось в натурных экспериментах со свайных оснований и с океанографической платформы (см. рис. 3). Для исследований использовался радиофизический комплекс ИПФ РАН, включающий радиолокаторы Ка- и Х‑диапазонов и оптические анализаторы спектра, позволяющие при определенных условиях восстановить пространственный спектр наклонов поверхности в широком диапазоне длин поверхностных волн. Натурные эксперименты сопровождались получением радиолокационных изображений со спутника и контактными измерениями характеристик ветра, течений, морских пленок и т. д., в том числе с борта малого исследовательского судна [15].

Рис. 3. Океанографическая платформа с радиофизическим комплексом ИПФ РАН для исследования затухания ветровых волн

На основании проведенных экспериментов была развита модель гашения ветровых волн (модель локального баланса), хорошо описывающая результаты натурных наблюдений в наиболее интересных для целей диагностики диапазонах длин волн (сравнение модельных и экспериментальных данных представлено на рисунке 4). Проведенные комплексные исследования воздействия различных динамических процессов в верхнем слое океана на поверхностное волнение позволили предложить новые методы распознавания природы этих процессов по их проявлениям на поверхности, а также разработать рекомендации по созданию систем дистанционного мониторинга океана и внутренних водоемов. На рисунке 5 схематически представлена зависимость степени подавления ветрового волнения (спектрального контраста) от длины поверхностных волн в областях проявления внутренних волн, пленочных и ветровых сликов. Для пленочных сликов характерно быстрое уменьшение степени гашения ветровых волн пленкой с ростом их длины и, соответственно, резкое уменьшение эффекта подавления интенсивности радиолокационного сигнала при переходе от Кu- и Х‑диапазонов к С‑ и L‑диапазонам. В штилевых зонах вариации спектра коротких ветровых волн оказались слабо зависящими от их длины, соответственно, такие аномалии должны проявляться в разных диапазонах No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

OLE

Спектральный контраст

Модель

ERS–2 X-band Ka-band OSA, 3.2 cm OSA, 1.6 cm OSA, 0.8 cm OSA (multich

1 0.1

1.0 Длины поверхностных волн, см-1

0.1

1.0 10.0 Длины поверхностных волн, см-1

Рис. 4. Спектральный контраст (отношение интенсивности волнения на чистой поверхности к интенсивности на загрязненной поверхности, измеренное по радиолокационному сигналу при брегговском рассеянии) от волнового числа. Скорость ветра 5–6 м/с (слева), 6–8 м/с (справа). Точками обозначены экспериментальные данные, кривыми – рассчитанные для упругостей соответствующих пленкам OLE (олеиновая кислота), VO (растительное масло), OIL (нефть)

Пленки ПАВ

Радиолокационный контраст

Внутренние волны

Штилевые пятна

k рад 0 0.1

Длины поверхностных волн, см

Диапазоны частот электромагнитных волн, ГГц

5 S

С : 4 – 8 ГГц S : 2 – 4 ГГц

0,5

X 8–12 ГГц

Рис. 5. Качественные зависимости степени подавления ветровых волн пленками, в штилевых зонах, в присутствии внутренних волн (в поле внутренних волн присутствуют и эффекты усиления волнения, которые на диаграмме не отражены)

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

примерно одинаково. Внутренние волны из-за резонансного механизма модуляции поверхностного волнения приводят к значительным резонансным вариациям спектральной интенсивности ветровых волн дециметрового диапазона длин, а по причине эффектов последовательной передачи энергии – к вариациям интенсивности более коротких волн сантиметрового диапазона. Измерение спектральных контрастов на нескольких разнесенных частотах радиолокатора позволяет распознать природу появления слика на морской поверхности, а анализ зависимости спектрального контраста в пленочном слике на нескольких длинах волн – оценить характеристики пленки. При этом возможно выбрать и обосновать диапазоны длин ветровых волн, наиболее информативных для мониторинга океана и внутренних водоемов, а также выработать рекомендации по выбору диапазонов работы радиолокационных систем для исследования характеристик ветровых волн. Изучение проявлений различных приповерхностных процессов на поверхности океана в виде областей с пониженной интенсивностью мелкомасштабного волнения требует проведения новых натурных и лабораторных экспериментов для уточнения моделей. Однако полученные к настоящему времени результаты все же позволяют предложить новые методы диагностики пленок на морской поверхности и выделения их на фоне других процессов, основанные на использовании информации о степени гашения ветровых волн в нескольких спектральных диапазонах. Для получения информации о степени гашения волн в нескольких спектральных диапазонах наиболее удобным представляется использование многочастотного радиолокатора.

Многочастотный поляризационный радиолокатор и перспективы диагностики пленок Разработанный и изготовляемый в настоящее время в ИПФ РАН многочастотный двухполяризационный радиолокатор будет использовать три частоты: С‑диапазон (частота излучения 3 ГГц, длина волны 10 см), S‑диапазон (частота излучения 6 ГГц, длина волны 5 см), Х‑диапазон (частота излучения 10 ГГц, длина волны 3 см). Кроме регистрации удельного сечения обратного рассеяния, новый трехчастотный радиолокатор сможет измерять скорость движения рассеивателей в каждом из частотных каналов. Данные радиолокатора о поверхностном волнении будут автоматически записываться в память и обрабатываться компьютером. Созданные оригинальные алгоритмы для обнаружения пленки на морской поверхности и определения ее физических характеристик позволят при помощи соответствующего программного обеспечения осуществлять диагностику пенок в режиме online.

ЛИТЕРАТУРА 1. Монин А.С., Красицкий В.П. Явления на поверхности океана. – Ленинград: Гидрометеоиздат, 1985. 2. Лаврова О.Ю., Костяной А.Г., Лебедев С.А., Митягина М.И., Гинзбург А.И., Шеремет Н.А. Комплексный спутниковый мониторинг морей России. – М.: ИКИ РАН, 2011. – 480 с. 3. TerraSAR-X Acquisition of the Oil Slick in the Gulf of Mexico // Satellite Image Gallery [Электронный ресурс]; TerraSARX Acquisition of the Oil Slick in the Gulf of Mexico / Airbus Defence and Space, – Toulouse: Airbus Defence and Space, 2014. – Режим доступа: http://www.geo-airbusds.com/ en/5751-image-detail?img=1749#.VIVd8tKsV8E. 4. Иванов А.Ю. Определение параметров нефтяных загрязнений по данным космической поляризационной радиолокационной съемки в районе нефтепромыслов «Нефтяные камни» в Каспийском море / А.Ю. Иванов, М.Ю. Достовалов, А.А. Синева // Исследование Земли из космоса. – 2011. – № 5. – C. 31–44. 5. http://www.consilium.se/news/news-archive/oil-spilldetection-radar-established-in-market 6. Miros, Норвегия (www.miros.no) 7. Sea-Hawk Navigation AS, Норвегия (http://sea-hawk.com) 8. OceansAdvance Inc., Нидерланды (www.oceansadvance.net/ oceansadvance-inc) 9. Nortek AS, Норвегия – США (www.nortekusa.com). 10. Калмыков А. И. Многоцелевой радиолокационный самолетный комплекс исследования Земли «МАРС» / А.И. Калмыков, В.Н. Цымбал, А.С. Курекин // Радиофиз. радиоастрон. – 1998. – Т. 3. – № 2. – С. 119–129. 11. Huehnerfuss, H.; Alpers, w.; Dannhauer, H.; Gade, M.; Lange, Ph.A.; Neumann, V.; Wismann, V. «Natural and man-made sea slicks in the North Sea investigated by a helicopterborne 5-frequency radar scatterometer». International Journal of Remote Sensing 17 (8). (1996): S. 1567–1582. doi: 10.1080/01431169608945364 12. Ермаков С.А., Сергиевская И.А., Гущин Л.А. Пленки на морской поверхности и их дистанционное зондирование. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. – Москва: OOO «Азбука-2000». – Вып. 3. – 2006. – Т.II. – С. 86–98. 13. Ермаков С.А. Влияние пленок на динамику гравитационно-капиллярных волн / С.А. Ермаков. – Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2010. – 164 с. 14. Ермаков С.А. Затухание гравитационно-капиллярных волн в присутствии нефтяной пленки по данным лабораторных и численных экспериментов / С.А. Ермаков, И.А. Сергиевская, Л.А. Гущин // Изв. РАН. ФАО. – 2012. – Т. 48. – № 5. – С. 631–639. 15. Оригинальный «Геофизик» // Национальная оборона. – № 9. – 2014. – С. 73.

Работа выполняется при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках соглашения о предоставлении субсидии от 26 августа 2014 года 14.607.21.0055 (уникальный идентификатор соглашения RFMEFI60714X0055).

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Лазерное дистанционное зондирование водной поверхности в летний период Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН* Москва А.Ф. Бункин, С.М. Першин, В. Н. Леднёв, М.Я. Гришин

ИОФ РАН Институт прикладной физики РАН* Нижний Новгород И. А. Капустин, А.А. Мольков, С.А. Ермаков

Московский физико-технический институт (государственный университет)* Долгопрудный М.Я. Гришин

Волжский государственный университет водного транспорта Нижний Новгород С.А. Ермаков

АО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва А.Ф. Бункин

* участники Технологической платформы «Освоение океана»

Создание больших искусственных водоемов (водохранилищ) нарушает экологическое равновесие речных бассейнов, в следствие чего могут происходить значительные изменения как во флоре, так и в фауне [1,2]. Серьезной проблемой крупных пресных водоемов является существенное (в 5–100 раз) повышение концентрации фитопланктона в летний период, так называемое цветение, что приводит не только к разрушению природных экосистем, но и к ухудшению качества воды. Особенно напряженная ситуация складывается вблизи крупных городов и около промышленных центров. Поэтому оперативная диагностика экологического состояния акваторий является весьма актуальной задачей. 61

Рис. 1. Маршрут следования судна. На вставке слева представлена карта водохранилища. 1 – область предварительного сканирования, 2 – начало сканирования поверхностного слоя воды вдоль трассы судна, 3 – окончание сканирования

Введение Для измерения характеристик зон цветения воды и мониторинга экологического состояния акваторий используют различные методы и подходы. Наряду с контактным профилированием, широкое развитие получили дистанционные методы с использованием спутниковых сканеров цвета [3, 4] и различного рода оптических систем авиационного и судового базирования [5–8], а также изучаются возможности использования радиолокаторов СВЧ-диапазона [9]. Среди оперативных методов диагностики важное место принадлежит лазерному (лидарному) зондированию [5, 7]. Лидар (от англ. LiDAR – Light Detecting And Ranging, световое детектирование и определение дальности) – прибор, действующий по принципу радара, с тем отличием, что вместо радиоволны используется излучение оптического диапазона. Общая схема лидарного зондирования водоемов состоит в следующем: импульсное лазерное излучение (длительность импульса в наносекундной или более короткой области) распространяется по поверхности или в глубине зондируемой акватории. Как правило, выбирают длину волны лазерного излучеЛидарное зондирование окружающей среды предполагает, что источник лазерного излучения и приемник эхо-сигнала находятся в одной точке пространства, подобно тому как это принято в радиолокации. Лидаром (по аналогии с радаром в радиолокации) называется прибор, который осуществляет такое зондирование.

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

ния, расположенную в области прозрачности атмосферы и воды. Лазерное излучение взаимодействует с атомами и молекулами зондируемой среды, вызывая эхо-сигналы, которые распространяются, в том числе и в сторону излучателя. По задержке обратного сигнала судят о расстоянии до исследуемого объекта, а по спектру – о его строении и свойствах. Существует большое количество работ, описывающих лазерное дистанционное зондирование океанских и морских акваторий (например, [10–18]), и в то же время в литературе отсутствуют данные о подобных исследованиях пресных водоемов с высокой концентрацией водорослей. Целью данной работы было лидарное зондирование пресноводной акватории с высокой концентрацией водорослей и сравнение полученных результатов с калиброванными данными коммерческого измерителя концентрации сине-зеленых водорослей, входящего в состав STD-зонда (YSI Inc., 6600 v2). Задача исследования – оценить перспективы методов лидарного зондирования для определения различных параметров природной воды: температуры, мутности, концентрации водорослей.

Эксперимент Район проведения наблюдений Натурный эксперимент был проведен 15 июля 2015 года на Горьковском водохранилище (Нижегородская область, Россия). Данный водоем был выбран в связи с тем, что в июле-августе в его акватории интенсивно развиваются скопления водорослей. При этом их концентрация увеличивается в десятки-сотни раз (до 50–100 тыс. клеток/мл и более) по сравнению с весенним периодом. Это пред-

Рис. 2. Общий вид компактного лидара комбинационного рассеяния света, созданного в ИОФ РАН

ставляет интерес для исследований методами лазерного дистанционного зондирования. Оборудование было установлено на судне – плавучей лаборатории «Геофизик», принадлежащем отделу радиофизических методов в гидрофизике Института прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде (судно построено по тримаранной схеме с подвесным двигателем, водоизмещение – 1,2 т, пассажировместимость – 6 человек). Во время эксперимента при передвижении судна по южной части водохранилища исследование поверхностного слоя воды проводили с помощью компактного лидара комбинационного рассеяния (см. описание далее) и STD-зонда (YSI Inc., 6600 v2). Маршрут судна, наложенный на карту местности, приведен на рисунке 1.

Схема и техника экспериментов Компактный лидар комбинационного рассеяния был разработан в Центре волновых исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН [13]. Основу данной системы (рис. 2) составляет импульсный твердотельный лазер Nd: YLiF4 с диодной накачкой (Laser Compact, DTL‑319QT: 527 нм, 5 нс, 1 кГц, 200 мкДж/имп). Лазерный пучок с помощью двух поворотных призм направляется на исследуемый удаленный объект. Рассеянное от удаленного объекта излучение собирают с помощью кварцевой линзы и фокусируют на входную щель спектрографа. Система регистрации сигналов состоит из компактного

спектрографа (Spectra Physics, MS127i), оборудованного ПЗС-камерой с усилителем яркости (Andor iStar). Для увеличения соотношения сигнал/шум была использована дифракционная решетка с малой дисперсией (150 штрихов/мм) и входная щель шириной 250 мкм. Во избежание повреждения ПЗС-матрицы рассеянным лазерным излучением при регистрации сигналов был использован полосовой светофильтр ОС‑13. Спектральное окно регистрации составляет 500–750 нм, что позволяет фиксировать одновременно несколько сигналов. Зондирование поверхностного слоя воды проводили по схеме, изображенной на рисунке 3а. Лидар был установлен в ходовой рубке судна, направление лазерного луча на исследуемую область и сбор рассеянного назад сигнала осуществляли поворотным алюминиевым зеркалом, закрепленным на борту судна (рис. 3б, 3в). Длина оптического пути от лидара до поверхности воды составляла 2,4 м.

Результаты Лазерное дистанционное зондирование Общая схема лидарного зондирования океана состоит в следующем: импульсное лазерное излучение (длительность импульса в наносекундной или более короткой области) распространяется по поверхности или в глубине зондируемой акватории. Как правило, выбирают длину No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

(а)

Зеркало

Лидар

Лазерный пучок

(б)

(в)

Рис. 3. (а) – схема лидарного зондирования, (б) – судно «Геофизик», (в) – лидар, установленный в рубке судна

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

волны лазерного излучения, расположенную в области прозрачности атмосферы и воды. Лазерное излучение взаимодействует с атомами и молекулами зондируемой среды, что приводит к появлению эхо-сигналов, которые распространяются в том числе и в сторону излучателя. Физические процессы, которые формируют эхо-сигнал при лазерном зондировании океана могут быть различными. Среди линейных (по энергии падающего лазерного излучения) процессов наибольшую эффективность по сигналу имеет флуоресценция органических примесей и хлорофилла «а» фитопланктона (сечение возбуждения до 10–18 мол/стерадиан). Флуоресценция простых и сложных молекул происходит с некоторым запаздыванием по отношению к возбуждающему излучению. Так для растворенного органического вещества эта величина не превышает 3.10–9 с, а для хлорофилла в воде она составляет менее 1.10–9 с. Далее по эффективности идет рассеяние Ми, т. е. «мгновенное» упругое рассеяние на частицах микропримеси, размер которых сравним с длиной волны зондирующего излучения (0,1–5 мкм). Сечение рассеяния Ми имеет порядок 10–21–10–22 частиц/стерадиан. Отметим, что рассеяние Ми происходит преимущественно вперед, т. е. в сторону дна акватории при вертикальном зондировании. Рассеяние Релея, вызванное флуктуациями температуры (или энтропии) среды, также является упругим рассеянием (т. е. зондирующее и рассеянное излучение имеют одну длину волны). Сечение рассеяния Релея имеет порядок 10–25 –10–26 мол/стерадиан. Индикатриса рассеяния имеет вид «гантели», т. е. рассеяние одинаково эффективно «вперед» и «назад». Наименее эффективным по величине сигнала из линейных процессов является спонтанное комбинационное рассеяние (сечение рассеяния 10–28–10–32 мол/стерадиан). Этот вид рассеяния вызван модуляцией падающего на молекулу электромагнитного поля тепловыми колебаниями атомов молекулы. В результате появляется электромагнитное излучение, частота которого равна разности частот падающего (лазерного) излучения и собственных колебаний атомов в молекуле. Частоты собственных колебаний атомов в молекуле зависят от масс атомов и энергии их связи, поэтому для каждой молекулы, для каждого типа колебаний, для каждой группы атомов они уникальны. Это свойство индивидуальности оптического отклика среды широко используется в оптической спектроскопии и в различных приложениях (химии, биологии, медицине). Однако в силу низкой эффективности спонтанного комбинационного рассеяния в дистанционном зондировании океана до настоящего времени удается зарегистрировать сигнал только от самых интенсивных, валентных ОН-колебаний молекул воды (т. е. колебаний протонов вдоль связи протон-кислород). Этот сигнал (интеграл по спектру) пропорционален концентрации молекул Н2О в среде. Как правило, сигнал комбинационного рассеяния используется в качестве репера для калибровки

(а)

Хлорофилл-а

(б) 1.5

О-Н валентные колебания

0.5

Интенсивность, отн. ед.

1.0

растворенное органическое вещество Упругое рассеяние

0.0

1.0

0.5

0.0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Волновое число, см-1

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Волновое число, см-1

Рис. 4. Характерные спектры обратного рассеяния поверхностного слоя воды Горьковского водохранилища: (a) – высокая концентрация водорослей; (б) – концентрации 200, 43, 20 и 4,3 тысяч клеток/мл

Интенсивность, отн. ед.

2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Волновое число, см-1

Рис. 5. Характерные спектры поверхностного слоя воды вдоль трассы судна

сигналов флуоресценции органических примесей. Такое представление сигнала флуоресценции в виде отношения (флуоресценция/комбинационное рассеяние) существенно уменьшает флуктуации сигнала, вызванные поверхностным волнением, качкой судна, солнечными засветками. Кроме этого, форма спектра спонтанного комбинационного рассеяния воды (огибающей полосы ОН-колебаний) зависит от температуры и используется для дистанционного измерения вертикального профиля температуры.

Лазерное дистанционное зондирование Горьковского водохранилища Примеры характерных спектров для пресной воды с различными концентрациями водорослей приведены на рисунке 4. Спектр состоит из нескольких компонент (см. рис. 4а): линия упругого рассеяния (0 см‑1), полосы, соответствующие флуоресценции растворенного органического вещества (РОВ, 1500–2000 см‑1), комбинационному рассеянию света

Рис. 6. Плотная пленка водорослей в заливе шлюза (фото с борта судна, в центре рисунка отмечена область, где виден лазерный пучок)

на валентных колебаниях ОН-групп молекул воды (3000– 4000 см‑1) и флуоресценции хлорофилла фитопланктона и водорослей (4000–4500 см‑1). В ходе эксперимента было проведено картирование сигналов вдоль трассы следования судна и сравнение результатов с данными STD-зонда. Для этого в автоматическом режиме регистрировали спектры обратного рассеяния из столба воды глубиной 0,8 м; частота работы лазера составила 12 Гц, спектр суммировали по 100 импульсам, т. е. одно измерение занимало около 8 секунд. STD-зонд (YSI Inc., 6600 v2) был расположен на глубине 30 см под поверхностью воды и позволял измерять в автоматическом режиме температуру и мутность воды, а также концентрацию водорослей. На рисунке 5 представлены наиболее характерные спектры вдоль движения судна: свободная водная поверхность (черная линия), поверхность воды с пленкой природного происхождения (т. н. биогенные пленки, красная линия), кильватерный след прошедшей мимо баржи (синяя линия), No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

массивное скопление водорослей на поверхности воды вблизи порта (зеленая линия). В спектрах поверхности с биогенной пленкой полоса флуоресценции растворенного органического вещества имеет меньшую интенсивность по сравнению со спектрами свободной поверхности воды, что может быть объяснено ухудшением проникновения лазерного излучения в глубокие слои воды из-за наличия пленки на поверхности, так как одновременно с падением интенсивности полосы растворенного органического вещества в биогенной пленке пропорционально возрастает интенсивность линии упругого рассеяния. Следует отметить, что спектры кильватерного следа баржи сильно отличаются от спектров невозмущенной поверхности воды, что связано с перемешиванием верхнего слоя воды с более глубокими. Это приводит к уменьшению концентрации водорослей и, соответственно, снижению интенсивности полос флуоресценции. При движении судна в закрытом заливе шлюза была обнаружена высокая концентрация водорослей, и даже плотная пленка водорослей (1–5 мм толщиной) на поверхности воды (рис. 6). Спектры массивного скопления водорослей существенно отличаются от спектров свободной поверхности воды: из-за невозможности проникновения лазерного излучения в толщу воды возрастает интенсивность линии упругого рассеяния и резко падает интенсивность полосы растворенного органического вещества; также, в спектре появляется очень интенсивная компонента в области 4500–5500 см‑1, соответствующая флуоресценции хлорофилла «а» водорослей [13]. Различия формы спектральной линии для свободной водной поверхности и массивного скопления водорослей могут быть объяснены тем, что в застойной области воды меняется видовой состав водорослей, и помимо флуоресцирующего пигмента хлорофилла «а» проявляется вклад флуоресценции хлорофиллов «b» и «c» (в более длинноволновой области), а также фикоэритринов [7]. Поскольку толстый слой водорослей в заливе шлюза водохранилища не позволял лазерному излучению проникать вглубь, сравнение данных лазерного зондирования с данными STD-зонда было проведено только до входа в область с толстым слоем водорослей. В спектре лидарного зондирования наблюдали сильное наложение сигналов флуоресценции, поэтому полученные экспериментальные данные с лидара обрабатывали следующим образом: спектральную кривую аппроксимировали суммой трех гауссовых контуров (рис. 7), затем строили зависимость сигналов комбинационного рассеяния и флуоресценции (площадей соответствующих компонент, см. рис. 7), центра компоненты, соответствующей сигналу ОН, от номера измерения, а также зависимость сигнала упругого рассеяния, который определяли как интеграл линии с вычетом фона. 66

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Итоги сравнения результатов по данным лидарного зондирования и STD-зонда представлены на рисунках 8–10: мутность, концентрации водорослей, температура в поверхностном слое воды. На рисунке 8 представлено сравнение сигналов упругого рассеяния (лидар) и мутности воды (STD-зонд) вдоль трассы движения судна. Как видно, наблюдается корреляция между данными сигналами, однако в случае сигнала упругого рассеяния вариация значительно снижена. Измеренные сигналы флуоресценции хлорофилла по данным лидарного зондирования и STD-зонда хорошо согласуются. Сравнение данных измерений температуры вдоль трассы движения судна в открытой и закрытой акватории, а также в поверхностном слое кильватерного следа баржи представлены на рисунке 10. Как видно из сравнения, наблюдается хорошая корреляция между данными, полученными разными методами. Видны различия до и после прохождения кильватерного следа баржи, что обусловлено отличием в точке измерения STD-зонда и области лазерного зондирования.

Перспективы дистанционного зондирования Развитие лидарных компактных систем для дистанционного зондирования океана в последнее десятилетия привлекает все больше внимания, поскольку подобные приборы предоставляют надежную информацию о ряде ключевых параметров акватории, таких как температура воды, концентрация хлорофилла и степень загрязнения химическими веществами в труднодоступных местах. Одно из наиболее важных и интересных приложений компактной лидарной системы является дистанционное зондирование отдельных айсбергов, эволюции их формы и свойств льда при дрейфе в морской воде. Прямые измерения ряда ключевых параметров айсберга, таких как температура, соленость и механическая прочность льда, невозможно провести в натурных условиях в силу высокого риска при проведении подобных измерений. Компактная система, установленная на беспилотные носители, может проводить безопасные прямые измерения этих параметров, как самого айсберга, так и воды вблизи льда. Более того, данные системы позволят полностью работать в автоматическом режиме и получать данные о геометрии, температуре и свойствах поверхности льда в режиме реального времени. Подобное исследование представляет фундаментальный и практический интерес, поскольку не только даст надежные данные, но и позволит оценить пригодность разных систем обнаружения айсбергов. Другим важным приложением компактных систем является использование их как средств обнаружения больших айсбергов вблизи морских газо- и нефтедобывающих платформ, что позволит вовремя принять меры для предотвращения аварий. Так, непрерывное картирование поверхности океана с платформы позволит в автоматическом

6 ОН валентные колебания

Хлорофилл-а флуоресценция

Интенсивность, отн. ед.

Растворенное органическое вещество

0 0

2000

Волновое число, см-1

4000

6000

Сигнал упругого рассеяния, отн. ед.

Мутность по данным STD, ед.мутн./литр

Рис. 7. Спектральная кривая (черная линия) и аппроксимирующие гауссовы компоненты. Серая линия соответствует флуоресценции растворенного органического вещества, синяя – комбинационному рассеянию на валентных колебаниях ОН-групп молекул воды, коричневая – флуоресценции хлорофилла

кильваторный след

10 8

2 «Открытая» вода 0

Номер измерения

Залив шлюза 100

200

Рис. 8. Сравнение сигнала упругого рассеяния и мутности воды по данным STD-зонда

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Фитопланктона по данным STD, 104 клеток/см3 Флуоресценция Хлорофилла-а, отн. ед.

7 6 5 4 кильваторный след

3 2 1

«Открытая» вода 2

Залив шлюза

Номер измерения

100

200

Рис. 9. Сравнение сигнала флуоресценции хлорофилла, измеренного лидаром, и концентрации водорослей по данным STD-зонда

Температура по данным STD, °С

кильваторный след

Температура по данным лидара, °С

21.0

20.5 Залив шлюза

«Открытая» вода 0

Номер измерения

100

150

200

Рис. 10. Сравнение значений температуры поверхностного слоя воды по данным STD-зонда и центра полосы валентных колебаний ОН

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

режиме определить плавающие объекты, которые могут представлять опасность для платформы, в то время как спектр комбинационного рассеяния позволит сделать вывод является ли данный объект айсбергом. Также подобные системы могут быть использованы для экспресс-диагностики утечек нефти на ранних стадиях, непосредственно вблизи платформы, что позволит сократить расходы на ликвидацию подобного типа загрязнений в нефтеносном районе. Важнейшая задача дистанционного зондирования акваторий – проведение подспутниковых измерений температуры больших площадей морской акватории. Как было показано, спутниковые системы регистрируют температуру в тонком поверхностном слое. В то же время температура верхнего слоя может существенно отличаться. Использование компактной лидарной системы, установленной на беспилотном аппарате, позволит проводить систематические исследования на больших акваториях в полностью автоматическом режиме. Такие автоматические измерения могут быть использованы для калибровки спутниковых данных

по распределению температуры и концентрации хлорофилла для мониторинга глобальных изменений климата.

Выводы Проведено лазерное дистанционное зондирование пресноводной акватории с высокой концентрацией водорослей. Компактный лидар комбинационного рассеяния позволяет регистрировать данные о температуре и мутности поверхностного слоя воды, а также о концентрации водорослей. Показано хорошее совпадение результатов лидарного зондирования и данных CTD-профилометра. Возможность выбора глубины зондирования дает преимущество методам лазерного зондирования для исследования водных объектов. Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 15–35–50449, 15–45–02690, 15–3520992) и в рамках программы Президента по поддержке ведущих научных школ 4482.2014.2.

ЛИТЕРАТУРА 1. Heil C.A., Glibert P.M., Fan C. Prorocentrum minimum (Pavillard) Schiller: A review of a harmful algal bloom species of growing worldwide importance // Harmful Algae. – No. 4 (3). – 2005. – P. 449–470. 2. Hallegraeff G.M. A review of harmful algal blooms and their apparent global // Phycologia. – No. 32. – 1993. – P. 79–99. 3. Лаврова О.Ю., Костяной А.Г., Лебедев С.А., Митягина М.И., Гинзбург А.И., Шеремет Н.А. Комплексный спутниковый мониторинг морей России. – М.: ИКИ РАН, 2011. – 470 с. 4. Richardson L.L. Remote sensing of algal bloom dynamics // BioScience. – 1996. – P. 492–501. 5. Measures R.M. Laser Remote Sensing. Fundamentals and Applications. – Wiley, N.Y., Toronto, Singapore, 1985. 6. Brown C.E., Fingas M.F. Review of development of laser fluorosensors for oil spill applications // Mar. Poll. Bul. – No. 47. – 2003. – P. 477–484. 7. A.F. Bunkin and K.I. Voliak, Laser Remote Sensing of the Ocean. Methods and Applications. – Wiley, N.Y., Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto, 2001. 8. Bunkin A.F., Klinkov V.K., Lednev V.N., Lushnikov D.L., Marchenko A.V., Morozov E.G., Pershin S.M., and Yulmetov R.N. Remote sensing of seawater and drifting ice in Svalbard fjords by compact Raman LIDAR // Appl. Opt. – 51 (22). – 2012. – P. 5477–5485. 9. Ермаков С.А., Капустин И.А., Лазарева Т.Н., Сергиевская И.А., Андриянова Н.В. О возможностях радиолокационной диагностики зон эвтрофирования водоемов // Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. – 2013. – Т. 49. – №3. – С. 336. 10. Leonard D.A., Caputo B., and Hoge F.E. Remote Sensing of Subsurface Water Temperature by Raman Scattering // Appl. Opt. – 18 (11). – 1979. – P. 1732. 11. Hoge F.E. and Swift R.N. Airborne Simultaneous Spectroscopic Detection of Laser-Induced Water Raman Backscatter and Fluorescence from Chlorophyll a and Other Naturally Occurring Pigments // Appl. Opt. – 20 (18). – 1981. – P. 3197. 12. Raimondi V. and Cecchi G. Lidar Field Experiment for Monitoring Sea Water Column Temperature // EARSEL Advances in Remote Sensing. – No. 3. – 1995. – P. 84–89. 13. Pershin S.M., Bunkin A.F., Klinkov V.K., Lednev V.N., Lushnikov D., Morozov E.G., and Yul’metov R.N. Remote Sensing of Arctic Fjords by Raman Lidar: Heat Transfer Screening by Layer of Glacier’s Relict Water // Physics of Wave Phenomena. – 2012. – Vol. 20. – No. 3. – P. 212–222. 14. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Fiorani L., Palucci A., Artamonov E., and Galli M. Remotely sensed primary production in the western Ross Sea: results of in situ tuned models // Antarctic Science. – No. 15 (1). – 2003. – P. 77–84. 15. Rulla F., Vegas A., Sansano A., and Sobron P. Analysis of Arctic ices by Remote Raman Spectroscopy // Spectroch. Acta A. – No. 80. – 2011. – P. 148–155. 16. Pershin S.M., Lednev V.N., Klinkov V.K., Yulmetov R.N. and Bunkin A.F. Ice thickness measurements by Raman scattering // Opt. Lett. – No. 39. – 2014. – P. 2573–2575. 17. Becucci M., Cavalieri S., Eramo R., Fini L., and Materazzi M. Raman Spectroscopy for Water Temperature Sensing // Laser Physics. – No. 9. – 1999. – P. 422–425. 18. Pershin S.M., Bunkin A.F., Luk’yanchenko V.A. Evolution of the Spectral Component of Ice in the OH Band of Water at Temperatures from 13 to 99 Degrees C // Quantum Electronics. – No. 40 (12). – 2010. – P. 1146–1148.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Современные информационные технологии в краткосрочном прогнозировании рыбного промысла 70

ФГБНУ «ТИНРО-Центр», Владивосток А.А. Байталюк, М.Ю. Кузнецов, В.В. Кулик, Е.В. Самко

Важной экономической задачей является снабжение населения продукцией рыбного хозяйства и обеспечение занятости населения, проживающего в прибрежных районах. Достижения в отрасли, которая базируется на использовании природных ресурсов, в значительной степени зависят от сырьевой базы и эффективности ее эксплуатации. Среди факторов, повышающих эффективность, внедрение новых технических средств поисковых работ и прогнозирование рыбного промысла. В 90-х годах прошлого века уловы рыбы в России значительно снизились, затем медленно стали возрастать. Снижение уловов обусловило сокращение объемов производства. В настоящее время наблюдается тенденция роста, что иллюстрирует увеличение среднегодового потребления рыбной продукции в период с 2006 по 2014 годы (рис. 1). Рыболовство развивается и развивалось ранее в основном по экстенсивному пути, который характеризуется наращиванием мощностей флота, количества его единиц и промысловых усилий, расширением районов и увеличением числа объектов промысла. Такая ситуация является характерной и связана в том числе с несоответствием сырьевой базы, доступной для рыболовства (рис. 2), мощностям промыслового флота и представлением о ее условной стабильности. Этапы интенсивного развития были связаны с внедрением новых технических либо технологических средств и процессов, в том числе поиска, добычи, обработки, при которых эффективность рыболовства увеличивалась многократно. Некоторой иллюстрацией подобных изменений может служить более чем полувековая история отечественного промысла сайры, сочетающая в себе периоды как экстенсивного, так и интенсивного развития (рис. 3). В каждом из трех исторических этапов основными причинами резкого роста вылова были введение новых технических средств промысла (например, переход к новым источникам освещения или модификация орудий лова) и внедрение новых, зачастую революционных, элементов в управлении промыслом (например, схемы поисковых работ, прогнозирования краткосрочного изменения фоновых условий и промысла). 71

4,2

4,3

4,1

4,0

4,2

3,8

3,5 3,4

3,3

2,5 Вылов, млн. т

Потребление рыбопродукции на душу населения, кг/год

4,5

1,5 1

2,2

2,0

2,2

2,5

2,6

2,9

2,8

0,5 0

0 2006

2007

2008

Вылов России

2009

2010

2011

2012

2013

Вылов ДВ-бассейн

2014 годы

Потребление

Рис. 1. Динамика отечественного вылова и потребления рыбопродукции на душу населения в 2006–2014 годах 100

3500

3000

80 70 60

2000 1500 1000

2443

1977

2537

2971

3144

3390

3394

3134

3158

50 40

Освоение, %

ОДУ+ВВ, тыс. т

2500

30 1114

888

500

844

820 712

765

934

20 876

828

10 0

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

ОДУ+ВВ востребованных

ОДУ+ВВ маловостребованных

Освоение востребованных

Освоение маловостребованных

2014 годы

Рис. 2. Динамика рекомендованных величин изъятия и освоения востребованных и маловостребованных объектов промысла в Дальневосточном бассейне

Общий допустимый улов (ОДУ) – научно обоснованная величина годовой добычи (вылова) водных биоресурсов конкретного вида в определенных районах, установленная с учетом особенностей данного вида. Возможный вылов (ВВ) – научно обоснованная рекомендованная величина годового изъятия водных биоресурсов, общий допустимый улов которых не устанавливается.

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

возобновление использования научной информации на промысле завершение научно-информационного сопровождения промысла

отказ от долей квот для промысловых компаний

период расширения промысловых районов начало промысла в «дальних» районах 100

возобновление промысла на северных участках

прибрежный промысел

Вылов, тыс. тонн

40 20

2012

2014

2010

2006

2008

2002

2004

1998

2000

1994

1996

1992

1990

1986

1988

1984

1982

1980

1976

1978

1972

1974

1970

1968

1964 1966

1962

1958

1960

56 лет

Рис. 3. Основные этапы отечественного промысла сайры

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Оперативные рекомендации, прогнозы изменения гидрометерологической и промысловой ситуации

Информация об аварийных ситуациях

Информация об освоении долей квот, производстве и отгрузке продукции

Оперативная информация о ходе промысла

Информация о распределении флота, статистические данные, оценка освоения квот

Координационная группа Росрыболовства (морская группа) оперативный контроль и управление промыслом

Амурское ТУ

Приморское ТУ

Охотское ТУ

СахалиноКурильское ТУ

СевероВосточное ТУ

ДВ ЭО АСР Обеспечение безопасности мореплавания

Распоряжения по ограничению рыболовства и управлению промыслом

Пользователи

Промысловый флот

Информация о распределении уловов, их качественном и количественном составе

Оперативная информация о ходе промысла

МагаданНИРО

Оперативная информация о ходе промысла

Росрыболовство

Информация об освоении долей квот

ЦСМС Сбор, обобщение промыслово-статистических данных

Информация о распределении флота, промысловых показателях

Наблюдатели

Информация о распределении уловов, их качественном и количественном составе

СахНИРО

Распоряжения по ограничению рыболовства и управлению промыслом

Предложения по ограничению рыболовства

Информация об освоении долей квот

Промысловостатистические данные

НИС Оценка распределения биомассы, биологического состояния и фоновых условий

Информация о распределении скоплений, качественном составе уловов, фоновых условиях

КамчатНИРО

Анализ хода промысла, динамики промысловой и фоновой обстановки, разработка прогнозов развития промысловой и океанической ситуации, разработка рекомендаций и предложений

ТИНРО-Центр

Данные дистанционного спутникового зондирования

Прогнозы развития промысловой, океанологической, синоптической ситуации, рекомендации для управления промыслом

Информация об аварийных случаях и аварийно-спасательных работах

Рис. 4. Укрупненная блок-схема контроля хода промысла и принятия оперативных решений по его управлению на Дальневосточном рыбохозяйственном бассейне (пунктиром выделена область сбора, обработки информации и подготовки прогнозов)

В основе полученных данные лежат три источника: 1. Космические (дистанционные) методы исследований. Наиболее часто используются инфракрасные изображения, дающие представление о распределении температуры и динамических образованиях в поверхностном слое океана, а также альтиметрические данные, позволяющие прослеживать более полно, нежели по одному виду наблюдений, термические и динамические характеристики исследуемых объектов. Постоянный мониторинг основных вихревых образований и течений позволяет вовремя обратить внимание и предсказать ожидаемые последствия от изменения гидрологической ситуации в рассматриваемых районах (рис. 5).

Биотические факторы окружающей среды – факторы живой среды, влияющие на жизнедеятельность организмов. 2 Абиотические факторы – совокупность прямых или косвенных воздействий неорганической среды на живые организмы; подразделяется на физические (климат, орография), химические (состав атмосферы, воды, почвы). 1

-5

-10

-15

-20 -10 -5 0 5 10 15 Тенденции изменения уровня океана, см/10 дней 10

б)

5 Аномалии уровня океана, см

Задача повышения эффективности морского и океанического рыболовства и в наше время остается ключевой. Она может решаться комплексно. Как традиционно: путем внедрения новых средств и процессов или включением в вылов второстепенных объектов многовидового рыболовства. Так и путем разработки и внедрения современных научных методов управления рыбопромысловым процессом, которые позволят снизить непромысловые потери времени, включающие в себя элемент краткосрочного (оперативного) прогнозирования (рис. 4). Краткосрочные (оперативные) прогнозы даются на естественный синоптический период (от 1 до 10–15 суток). Они базируются на известных закономерностях формирования скоплений видов водных биоресурсов и их перемещений под воздействием биотических 1 и абиотических 2 факторов окружающей среды и на оперативных данных о распределении и биологических характеристиках объектов, а также состоянии среды их обитания, в том числе получаемых в ходе осуществления государственного мониторинга.

Аномалии уровня океана, см

-5

-10

-15

-20 -10

-5

Рис. 5. ИК-изображение в ложных цветах и положение сайрового промысла (вверху) и зависимость суммарных уловов (кг на 100 м сетей) кальмара Бартрама (внизу): а) от количества результативных постановок, б) от величины аномалий уровня океана и тенденции изменения уровня океана

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 6. Вертикальные миграции минтая в северной части Охотского моря (слева) и распределение минтая и сельди в Охотском море

Рис. 7. Карта дрейфующих буев «Арго» по состоянию на февраль 2014 года

2. Судовые исследования. Традиционно используемая информация, дающая представление о биологических особенностях видов, и океанологические данные по локальным районам. Кроме этого, для мониторинга биоресурсов океана активно используются гидроакустические эхолокационные приборы, имеющие ряд преимуществ по сравнению с другими инструментальными методами оценки гидробионтов. В частности, благодаря высокой скорости обзора среды и значительной дальности действия позволяет обследовать большие площади за относительно короткий временной промежуток (рис. 6). 76

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

3. Автономные средства исследований (инновационные). К ним относятся стационарные или дрейфующие буи, глайдеры и платформенные системы (рис. 7). Все три составляющие дополняют друг друга и являются идеальным инструментарием получения данных об океане (рис. 8), в том числе в качестве базы для разработки прогнозов. В целом процесс решения задачи краткосрочного прогнозирования разбивается на три этапа: моделирование по исходным данным распределения рыбы в зависимости от значений набора факторов; определение прогности-

Рис. 8. Идеальная схема получения данных об океане (модифицировано из http://www.socib.eu)

Моделирование по исходным данным распределения рыб в зависимости от значений набора факторов

Определение прогностических значений этих факторов

Определение рекомендаций по прогностическим значениям с помощью моделей объекта прогнозирования

Система оперативного рыбопромыслового прогнозирования и управления (СОРПУ)

Сбор и передача информации

Ввод, контроль, обработка

Прогноз состояния среды

Прогноз промысловой обстановки

Выработка рекомендаций

Принятие решений и доведение их до флота

Хранение и пополнение архивов

Рис. 9. Три этапа решения задачи краткосрочного прогнозирования

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 10. Фрагмент эхограммы, иллюстрирующей реакцию кальмара и рыб при акустическом стимулировании (режим горизонтального сканирования, частота 120 кГц) (вверху), и результаты использования системы снижения шумов (внизу)

ческих значений этих факторов, и определение по прогностическим значениям с помощью моделей объекта прогнозирования. Реализация этого возможна как через интуитивный подход, учитывающий опыт и знания разработчиков прогноза, так и через формализованный (рис. 9). Еще в 1990‑х годах в ТИНРО была создана и успешно апробирована автоматизированная система оперативного рыбопромыслового прогнозирования и управления (СОРПУ). Система определяет иерархию задач и этапность их реализации. В том числе осуществляет обработку фоновых данных и восстановление гидрофизических и гидробиологических полей или разработку набора

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

моделей и проверку их адекватности. Основные положения этой системы используются и сейчас, в том числе они реализованы в адаптивной управленческой модели организации промысла сайры. Развитием прогностической части СОРПУ в отношении внутрисезонных прогнозов является, например, автопрогнозирование, реализованное через разработанную в ТИНРО систему конвертации информационной системы рыболовства (СКИРС) на платформе ARIMA (интегрированная модель авторегрессии) и ETS и проводящее проверку адекватностей моделей на основе набора информационных критериев. Надо отметить, что в идеальном представлении даже успешная реализация прогноза распределения и вылова или эффективности промысла не является завершающим этапом исследований. В настоящее время накопленные данные и опыт позволяют начать переход от прогнозирования распределения объектов к управлению ими. Например, через акустическую стимуляцию некоторых промысловых видов рыб и головоногих моллюсков в целях повышения эффективности их облова, селективности лова, а также защиты рыбных ресурсов (рис. 10). Полученные результаты расширяют технические и тактические возможности использования средств активной локации для решения задач совершенствования гидроакустических и траловых технологий оценки разреженных скоплений беспозвоночных и рыб в верхней эпипелагиали (верхний слой воды моря до глубины 200 м) и интенсификации их промысла. В том числе, путем снижения уровня шумности (акустической заметности) надводных и подводных судов, а также различных автономных и буксируемых в воде устройств с использованием природных аналогов; маскировки и скрытного передвижения под водой традиционных и новых технических средств; обеспечения экологической безопасности в результате смягчения вредного влияния на морскую биоту физических полей надводных и подводных судов и других источников шума; изменения направления движения (миграций), распределения и плотности скоплений гидробионтов в намеченных акваториях, включая смежные зоны России и других государств; создания искусственных концентраций морских биологических объектов на намеченных акваториях; дистанционного управления и направленного перемещения рыбных косяков в узкостях, заливах, водозаборах и др.

Сохранение океанической среды требует создания современных технических средств и новых технологий Создание специальных технических средств для очистки акваторий и мониторинга, безопасная утилизация сотен кораблей, ежегодно выходящих из эксплуатации, демонтаж или преобразование отработавших тысяч морских нефтегазовых платформ – актуальность этих задач остается традиционно сниженной по сравнению с задачами по созданию все новых технических средств для освоения, добычи и транспортировки ресурсов, усовершенствования пассажирских, грузовых и военных судов. Наиболее значительные изменения в мерах безопасности или экологических требованиях к процессу добычи, техническим средствам и их утилизации в последние десятилетия происходили в результате уже свершившихся техногенных катастроф. Цель получения максимальной прибыли все также превалирует над целью жить на чистой планете, и усилия Международной морской организации и других международных комитетов по вопросам морской экологии являются недостаточными. В то время как человечество мечтает о создании автономных высокотехнологичных плавающих городов будущего, только отдельные корпорации и энтузиасты, не теряющие связь с реальностью, доводят до реализации проекты по созданию специальной техники, экономичных технических решений, выполняющих задачи, актуальные с точки зрения экологии. Такие решения существуют, именно этим примерам посвящен данный обзор. 80

АО «Концерн «Моринсис-Агат»* Москва Арфаниди М. В. * участник Технологической платформы «Освоение океана»

Океан испытывает сильнейший антропогенный пресс. Чтобы представить современные масштабы проблемы, обратимся к доступной, хоть и приблизительной, статистике результатов активной человеческой деятельности на море, в которой вопросы очистки и безопасности технологий для природной среды, грамотной утилизации и трезвой оценки следствий были упущены изначально. Суммарное накопление различных видов загрязнений привело не только к ежегодной гибели многочисленных представителей морской флоры и фауны и угрозе для людей, но и требует для своего устранения огромных технических и денежных вложений. Эти задачи по сути давно вышли за рамки юрисдикции отдельных государств и приобрели черты общей глобальной проблемы.

Отработавшие морские нефтегазовые платформы и места выработанных месторождений Резким толчком для развития вопросов безопасности морской нефтегазовой добычи и поиска новых технологических решений в последние годы стала беспрецедентная экологическая катастрофа 2010 года – взрыв на полупогружной нефтяной платформе Deepwater Horizon, принадлежащей компании BP (рис. 1). Через поврежденные трубы скважины за 152 дня в Мексиканский залив вылилось около 5 миллионов баррелей нефти, нефтяное пятно достигло площади 75 000 км2. В ходе последовавшего расследования было установлено, что количество заброшенных, постоянно или временно законсервированных платформ только в Мексиканском заливе достигает 27 000 (рис. 2). Проблема включает в себя два взаимосвязанных аспекта: вопросы надежной герметизации отработавших скважин и сами платформы или их основания, оставленные в местах добычи и вызывающие споры о целесообразности и безопасности их демонтажа. Работы на многих заброшенных скважинах Мексиканского залива прекратились еще в 1940–1950‑х годах, их состояние игнорировалось в течение многих десятилетий. Тысячи скважин сохраняют статус «временно законсервированных» много лет, несмотря на то, что процедуры консервации для них не такие строгие, как для окончательно выработанных, а значит, вероятность утечки нефти из-за изнашивания герметизирующих материалов сохраняется. Эта проблема касается не только зон активной добычи нефти, подобных Мексиканскому или Персидскому

Рис. 1. Взрыв на платформе Deepwater Horizon в Мексиканском заливе 20 апреля 2010 года

заливам. Так непродуманность технических решений и недостаточная геологическая разведка Кумжинского газоконденсатного месторождения на берегу Баренцева моря привели к взрыву и пожару при бурении скважины № 9, а затем к необходимости подземного ядерного взрыва, что тем не менее не позволило ликвидировать аварию полностью. Предпринятые меры безопасности в виде защитной дамбы, требующей ремонта уже много лет, являются временными. Также в казахстанской зоне Каспия в настоящее время находится около двух тысяч самоизливающихся нефтяных скважин. Периодически из них сочится нефть, определить объемы выхода которой ни технически, ни теоретически невозможно (рис. 3) [4]. Фактически в мире отсутствуют зоны разрабатываемых морских месторождений, где не происходили бы регулярные аварии разного масштаба на платформах, нефтяных танкерах или трубопроводах, сопровождающиеся разливами нефтепродуктов. С активизацией задач по освоению Арктических месторождений встает вопрос повышенной уязвимости региона с точки зрения техногенных катастроф. Штормовые условия, ледяные поля, слабая деструкция нефти при низких 81

Рис. 2. Мексиканский залив: вверху – заброшенные отработавшие нефтегазовые платформы; в центре – серыми точками указаны места бурения, разрабатываемые в разные годы, с примерными объемами ресурсов; внизу – оранжевые точки обозначают установленные нефтегазовые платформы

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

температурах и многие другие особенности выдвигают вопросы экологии и безопасности промышленной деятельности на первый план. К 2025 году предприятия нефтегазовой промышленности во всем мире планируют вывод из эксплуатации еще около 6500 морских буровых установок. Их демонтаж и полная ликвидация, как это требуется согласно техническим условиям, будет стоить промышленности миллиарды долларов и в большинстве случаев может привести к еще большему загрязнению окружающей среды.

Утилизация кораблей Каждый год в мире демонтируется свыше 600 крупных судов. Срок службы современных судов со стальным корпусом составляет несколько десятилетий, после чего их ремонт становится нерентабельным. В попытке защититься от наплыва старого флота в большинстве стран, в том числе и в России, внесен запрет на регистрацию судов старше 15–20 лет. Между тем механизмы избавления от устаревшего гражданского флота в мире практически

Рис. 3. Нефтяные разработки на Каспийском море

Рис. 4. Побережье Аланг (Индия) со спутника

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 5. Условия работы и экологическое состояние мест разборок кораблей

отсутствуют. Это приводит к тому, что каждая из стран справляется с проблемой по-своему: в Китае суда переплавляют, в Индии – вытаскивают на берег, оставляя ржаветь, в России – бросают у причалов. Ни один из этих способов нельзя считать по-настоящему продуманным с позиции защиты окружающей среды. Судовладельцы предпочитают продавать флот «до последнего», только чтобы избежать утилизации, поскольку утилизация корабля по всем правилам мероприятие очень дорогое. Евросоюз, озабоченный вопросами безопасности и экологичности утилизации судов, в 2008–2011 го‑ дах финансировал международный проект DIVEST, объединивший усилия исследователей и промышлен‑ ных компаний из девяти стран для разработки тре‑ бований и улучшения технологий утилизации [7]. Кроме того, после четырех лет переговоров, на Ме‑ ждународной конференции о безопасной и экологиче‑ ски рациональной утилизации судов, проходившей в мае 2009 года в Гонконге, была принята конвенция, устанавливающая единые требования к эксплуа‑ тации судов с учетом их последующей утилизации. В документе были охарактеризованы все опасные вещества и материалы, а также предписано в каче‑ стве общемирового стандарта утилизацию судна производить на сертифицированном предприятии, имеющем разрешения на все виды деятельности по утилизации плавсредства.

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Лишь небольшая доля рынка утилизации стареющих европейских кораблей приходится на европейские и турецкие верфи, где демонтаж кораблей производится на поверхности, залитой бетоном, чтобы не допустить заражения почвы или воды остатками топлива и токсичными отходами. По этому пути, настаивая на соблюдении обязательных технологических требований и правил безопасности при утилизации судов в судостроительных верфях, пытается идти Россия1. Тем не менее, ключевым фактором для судовладельцев всего мира остается стоимость демонтажа: затраты на аренду специализированных помещений, оплату услуг специалистов, перевозку и уничтожение материалов утилизации. В то время как на побережьях Индии, Пакистана, Индонезии и Бангладеш, где стандарты безопасности одни из самых низких в мире, утилизация почти в 10 раз выгоднее, чем в Европе. Дешевая рабочая сила, очень большой спрос на металлолом и необязательность соблюдения экологических норм гарантируют судовлаВ России процедура утилизации осуществляется в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 12.08.2010 № 620 (в редакции от 04.09.2012 года) «Об утверждении технического регламента о безопа‑ сности объектов морского транспорта», в соответствии с которым утилизация должна проводиться в специально отведенных и оборудо‑ ванных для этих целей местах, исключая риск экологического загрязнения. С 01 января 2014 года вступил в силу ГОСТ Р ИСО 30000–2013 «Суда и мор‑ ские технологии. Системы менеджмента утилизации судов. Технологи‑ ческие требования к системе менеджмента предприятий по безопасной и экологически рациональной утилизации судов», устанавливающий требования к системе менеджмента предприятий по утилизации судов и выполнению ими экологических стандартов. 1

дельцам еще и дополнительные прибыли. Поэтому до 90% судов заканчивают свою жизнь здесь (рис. 4, 5). Многокилометровые береговые зоны превращены в сплошные площадки для разборки. Корабли выбрасываются на полном ходу на берег во время прилива, затем разбираются прямо на песчаном пляже у моря в примитивных и опасных условиях. Отсутствие необходимых средств защиты ведет к повышенной аварийности, риску для здоровья и масштабному загрязнению прибрежных районов токсичными материалами. Весь труд ручной, непрофессиональный, люди травятся опасными веществами, продуктами горения при резке металла, получают многочисленные ожоги, травмируются в процессе работы и зачастую гибнут. Широко используется детский труд.

В течение продолжительного времени на пляжи выливаются тонны грязи. Поверхностный слой, представляющий собой смесь песка, мазута и смазки, попадает в воду, десятки километров покрыты металлическим хламом. Оставленные на берегу куски металлолома во время прилива уносятся на глубину, на многие десятки километров от береговой черты. Эти побережья – Аланг (Индия), Читтагонг (Бангладеш) и подобные им – относятся к самым грязным местам на планете. Однако данный вид деятельности обеспечивает беднейшим регионам тысячи рабочих мест. Более того, утилизация вручную гарантирует лучшую сортировку: все ценные элементы аккуратно снимаются с корабля для последующей переработки. В среднем на судно приходится около

Рис. 6. Места концентрации мусорных островов в Мировом океане

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 7. Как образуются острова мусора (Инфографика, № 10, апрель 2012 года)

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

300 рабочих, за два месяца судно разбирается на металлолом полностью. В год могут быть разделаны до 1500 судов практически всех мыслимых классов и типов – от военных кораблей до супертанкеров, от контейнеровозов до научно-исследовательских судов. Существенный процент кораблей СССР также был утилизирован на разборках Индии и Пакистана. Из всех стран, где в основном сосредоточена переработка судов, только в Индии в последние годы появилась хоть какая-то инфраструктура для обработки токсичных отходов, профессиональной подготовки рабочих и контроля за состоянием их здоровья. Бангладеш и Пакистан в этом отношении заметно отстают. Именно в постепенном и медленном внедрении стандартов безопасности специалисты видят комплексное решение сложившейся ситуации. Но введение хотя бы минимальных стандартов безопасности влечет за собой удорожание работ и сокращение рабочих мест. Для этих регионов описанный подход на сегодняшний день оказывается несостоятельным и не приводит к кардинальному решению вопроса.

Плавающий мусор Количество пластикового мусора, плавающего в настоящее время в Мировом океане, оценивается в ~ 5 млрд. тонн, при ежегодном темпе поступления еще порядка 8 млн. тонн через речные стоки, с палуб кораблей и береговых источников сброса. Эти оценки очень относительны, поскольку установлено, что часть мусора опускается на дно, и оценить действительные его объемы невозможно. Основная часть плавающего пластика накапливается в местах так называемых пяти круговоротов замкнутых систем океанических течений в Тихом, Индийском и Атлантическом океанах, формируя гигантские мусорные острова (рис. 6). В этих зонах пластик не только плавает на поверхности, но и, подвергаясь разложению, опускается в толщу воды. Почти треть объема плавающего мусора сосредоточена в зоне, которая получила название Тихоокеанского мусорного пятна (рис. 7). В отличие от отходов, подверженных биоразложению, пластик под действием света распадается на мелкие частицы, сохраняя полимерную структуру. Все более и более мелкие частицы концентрируются в поверхностном слое океана, и в итоге морские организмы начинают употреблять их в пищу, путая с планктоном. По этой причине ежегодно умирают около миллиона морских птиц и ста тысяч морских млекопитающих. Частицы пластмасс концентрируются не только в центральных частях водоворотов течений, но и проникают в субполярные воды. Количество пластикового мусора, который сегодня плавает в северной части Тихого океана, за последние 40 лет увеличилось в 100 раз. Экспедицион-

ные данные и пробы, произведенные специалистами Five Gyres Institute (Институт пяти круговоротов, США), за период с 2007 по 2013 год позволили установить, что каждый кубометр арктического льда уже содержит от 38 до 238 частиц пластмасс [9]. Это тот вид загрязнения, который заставляет отрасли рыболовства, судоходства, туризма затрачивать на очистку береговых линий до 20 млрд. долларов ежегодно. Однако до сих пор этот вопрос так и не поднят с уровня совместных усилий отдельных исследователей и институтов на уровень глобальной кооперации государств, финансирования и внедрения эффективных решений.

Сброс загрязненных или зараженных вод Физическое загрязнение Мирового океана проявляется также в поступлении со сточными водами различных химических веществ (хлорорганических, металлов) от наземных источников – объектов промышленности, строительства, коммунального и сельского хозяйства, рекреации. Некоторые из этих веществ ядовиты, медленно разлагаются, накапливаются в организмах. Сбрасываемые электростанциями и другими источниками нагретые воды также вызывают серьезные нарушения экологического равновесия в прибрежных экосистемах. По приблизительным оценкам каждые 8–10 лет объем сбрасываемых в океан нагретых вод удваивается. Кроме того, с речными стоками в океан попадает немалое количество патогенных микроорганизмов, которые легко адаптируются к условиям прибрежной зоны, накапливаются в морепродуктах, становясь причиной массовых заболеваний. В некоторых районах Средиземного моря до 80% рыбы заражено микроорганизмами. Радиоактивные продукты до последнего времени попадали в океан в основном вследствие испытаний ядерного оружия. После аварии на атомной электростанции «Фукусима‑1» в 2011 году в море попало рекордное количество радиоактивных элементов. Выбросы 137Cs происходили в период с 21 марта до середины июля с пиком выброса 8 апреля. Благодаря сильному морскому течению зараженная вода в скором времени ушла в океан (рис. 8). Рассеявшись в водах Тихого океана, большая часть 137Cs привела к тому, что количество радиоактивных элементов в воде поднялось до уровня 0,004 беккереля на литр. Это вдвое больше, чем после выпавших осадков после проведенных ядерных атмосферных испытаний в 1960‑х годах. В течение XX века объемы подобных загрязнений Мировой океан способен был растворить, уменьшив их концентрацию по крайней мере в районах, удаленных от эпицентров сброса. Однако на сегодня эти виды загрязнений серьезно увеличивают синергетический эффект общей ситуации. No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 8. Карта распространения зараженной радиацией воды в Тихом океане в марте 2011 года после аварии максимального 7‑го уровня на АЭС «Фукусима‑1», Япония

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Подводные потенциально-опасные объекты В результате санкционированных захоронений, осуществленных в послевоенное и мирное время, а также в результате многочисленных аварий на дне Мирового океана и речных бассейнов находится большое количество источников потенциальной опасности для людей, прибрежных районов, флоры и фауны, гидротехнических сооружений, портов и морского транспорта. Это суда, различные транспортные средства, космические и летательные аппараты, а также боеприпасы, элементы оборудования и установки полностью и частично затопленные во внутренних водах в результате аварийных происшествий или захоронений, содержащие ядерные материалы, радиоактивные, химические отравляющие, взрывчатые и другие опасные вещества. Большинство опасных объектов затонули в результате аварий и катастроф. В настоящее время на дне Мирового океана находятся семь атомных подводных лодок, погибших в результате аварий – пять российских (советских) и две американских. Объекты, несущие радиоактивные компоненты и установки, в разное время также теряли Бельгия, Великобритания, США, Индия, Индонезия, Малайзия, Россия, Норвегия и еще ряд стран. Кроме того, в шести районах акваторий Европы на морском дне лежит более 300 тысяч тонн отравляющих веществ. Это в основном затопленные химические боеприпасы. Тысячи кораблей, подводных лодок и самолетов с боезапасами, тысячи тонн обычных боеприпасов (снаряды, мины, торпеды), неразорвавшиеся глубинные бомбы, ар-

В 50–70‑х годах практика захоронений радиоак‑ тивных отходов в Мировом океане была общепри‑ нятой для стран, развивающих мирное и военное использование ядерной энергии. Всего в 1946– 1982 годах морские захоронения осуществляли 12 стран в 47‑ми районах Тихого, Атлантическо‑ го и Северного Ледовитого океанов. В российских территориальных водах большинство захороне‑ ний радиоактивных отходов расположены в се‑ верном регионе, на стыке Баренцева и Карского морей [5, 6]. тиллерийские снаряды – следствие военных действий, послевоенных захоронений и катастроф – до сих пор представляют опасность. Причем опасность наиболее вероятна при попытках вмешательства, подъема и ликвидации объектов. Возможность принятия экстренных мер и предотвращения каких-либо критических ситуаций основывается на сегодняшний день исключительно на обследовании мест захоронений известных объектов, установке датчиков для отслеживания контрольных величин, накоплении данных мониторинга. С начала XXI века выполнение этой задачи осуществляется в основном с помощью глобальной сети океанографических буйковых станций. Собираемая ими информация стекается со всех точек Мирового океана в региональные информационные центры и доступна специалистам любой страны [7].

Примером окончания критического срока относительной безопасности подводных потенциально опасных объектов может служить состояние русла Волги, находящееся на пороге крупной экологической ката‑ строфы уже сейчас. Затонувший плавучий жиро-мучной завод в районе села Ассадулаево изменил течение реки, которое начало активно размывать местные берега, подходя вплотную к огромным хранилищам мазута времен ВОВ. На сегодняшний момент мазут ежедневно попадает в воду. Источником отравления воды является и сам корабль, поскольку хра‑ нящееся на нем топливо так и не от‑ качали. Затонувших кораблей в акватории Волги сотни. В районе Астрахани на‑ ходятся целые кладбища затопленных в 90‑х годах судов, изменяющих течение реки, мешающих судоходству, загряз‑ няющих воду. Установить хозяев этих объектов уже невозможно, а уровень опасности требует выведения данного вопроса ответственности за состояние речных акваторий на националь‑ ный уровень.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Также в практику вводится оснащение судов комплексами аппаратуры, обеспечивающей оперативное выявление загрязнения поверхностных вод. Примером могут служить российские комплексы «Акватория» или «Гвоздь», разработанные группой предприятий Санкт-Петербурга. Комплекс аппаратуры устанавливается как на специальные, так и переоборудованные суда, патрулирующие не только морские, но и речные акватории [2]. Основываясь на вышеизложенной информации, можно сделать вывод, что сегодня настал этап, когда теряют смысл пропагандистские акции, информационные кампании и теоретические разработки. Требуются объединенные на уровне государств практические действия, научные и технические ресурсы, эффективные технические средства и реализация масштабных операций по очистке и переработке мусора. Обратимся к немногим примерам технических решений, способных изменить ситуацию уже сегодня.

Проект The Ocean Cleanup В основу этого проекта легло изобретение системы очистки океанских вод от пластикового мусора, принадлежащее 20‑летнему голландскому студенту Бояну Слэту – огромные, достигающие длины в несколько километров заграждения, действующие по принципу сетей для ловли рыбы, улавливающие плавающий мусор пассивным способом. Развертываемый массив перегородок, прикрепляется к морскому дну и перекрывает потоки движущихся водных масс (рис. 9). Мусор будет задерживаться платформой, не принося при этом никакого вреда водным обитателям. Установка подобных сооружений в местах скопления мусора обойдется, по подсчету команды специалистов, не так уж дорого по сравнению со стоимостью ресурсов мирового океана, не говоря уже о том, что экологическая катастрофа может унести в десятки тысяч раз больше. Уже в 2016 году первая платформа, протяженностью всего в два километра, будет установлена в загрязненных водах между Южной Кореей и Японией. Однако и эта, не сильно впечатляющая своей длиной система, станет пока самой масштабной из всего, что ранее было развернуто в океане для сбора мусора. А уже через пять лет планируется создать огромную, разветвленную, задерживающую мусор систему, которая достигнет длины в общей сложности более чем в 100 километров. Установлена она будет возле Тихоокеанского мусорного пятна, площадь которого, по некоторым данным, может достигать 15 миллионов квадратных километров, и по расчетам, позволит в течение 10 лет выловить 42% всего объема мусора в этом районе океана. Установка полностью автономна и самообеспечиваемая. Питание системы станции будут черпать из солнечных батарей и устройств, преобразующих энергию волн и течений. Предполагается, что от переработки и реализа90

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Рис. 9. Конструкция заградительных установок проекта The Ocean Cleanup [11]

ции пластика, полученного из выловленных отходов, можно будет заработать больше средств, чем было потрачено на реализацию самого проекта. The Ocean Cleanup уже вошел в историю как первый в мире и самый успешный научно-технический проект, финансируемый на основе кампании по краудфандингу2 2 Краудфандинг (народное финансирование, от англ. сrowd funding, сrowd – «толпа», funding – «финансирование») – это коллективное сотрудничество людей (доноров), которые добровольно объединяют свои деньги или другие ресурсы, как правило через Интернет, чтобы поддержать усилия других людей или организаций. Изначально должна быть заявлена цель, определена необходимая денежная сумма, составлена калькуляция всех расходов, а ин‑ формация по ходу сбора средств должна быть открыта для всех.

Рис. 10. Вверху слева – материнский корабль Мега-Экспедиции 2015 года Ocean Starr, внизу – область океана, охваченная работами, проведенными 30‑ю кораблями Мега-Экспедиции

и собравший таким образом уже свыше 2 миллионов долларов. Это оказалось возможным – не дожидаясь государственного финансирования, подключить широкие круги заинтересованных людей, специалистов, ученых. Предложение юного голландца вызвало также и критику многих специалистов, отмечавших, что куда более рациональным решением проблемы пластикового мусора была бы не его ликвидация в море, а предотвращение попадания в реки и каналы. В ответ Боян связался с сотней добровольцев из разных стран, в том числе серьезных ученых и инженеров, студентов и школьников, и стал изучать пути реализации своего проекта. Боян Слэт сотворил, по сути, личное чудо в области инициативной научной кооперации специалистов со всего мира. За три года существования проекта были организованы три экспедиции в район Большого мусорного пятна в Тихом океане. Летом 2015 года состоялась четвертая, самая масштабная и потому названная Мега-Экспедицией (Mega Expedition) флотилия из 30-ти легких судов, а также 52‑метровая плавучая станция, работали в океане в течение ме-

сяца (рис. 10). Помимо традиционных методов измерений концентрации мусора, использовалась аэрофотосъемка и траловые приспособления. Идею проекта The Ocean Cleanup критикуют до сих пор. Высказываются мнения, что придуманные голландцем платформы не решат проблемы с морскими птицами, которые питаются прикрепленными к плавающим кусочкам пластика икринками. Другие ученые замечают, что предлагаемые устройства смогут отсеивать из морской воды кусочки пластика больше 2 мм в диаметре. Соответственно, более мелкие фрагменты продолжат находиться в воде и наносить вред. Так или иначе, главное – начинать действовать. В настоящее время в мире уже появляются коммерческие компании, создающие оборудование для перехвата пластикового мусора в реках и каналах. Примером может служить барьер на солнечной и приливной энергии Trash Wheel, действующий в бухте американского города Балтимор. В Нидерландах проходит испытание устройства Plastic Visser («Пластиковый рыболов») (рис. 11). No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Значительным результатом работы проекта The Ocean Cleanup стал опубликованный Бояном в июне 2015 года 530‑страничный доклад. В составлении документа приняло участие 70 инженеров и ученых. В докладе были приведены данные о компьютерных моделях плавучих барьеров, а также прозвучали ответы на многие критические замечания, высказанные в адрес проекта.

Корабль по очистке дна

Рис. 11. Устройство Plastic Visser для улавливания плавающего мусора в стоках рек, Нидерланды

Экологическим целям могут служить суда-драгеры, без участия которых не обходится строительство любого порта, гавани, создание каналов и даже островов. Примером может служить драгер бункерного типа Cristobal Colon («Христофор Колумб»), разработанный и спущенный на воду в 2009 году испанской компанией Construcciones Navales del Norte. Это один из самых мощных кораблей, чьей основной задачей является очистка дна портов, речных русел (рис. 12). Судно использует принцип пылесоса. Два насоса, каждый из которых потребляет энергию в 6500 КВт, расположены под поверхностью воды. Труба каждого из насосов диаметром 1,3 метра и длиной 80 метров в состоянии всего за час поднять на поверхность 6‑метровый слой грунта с площади, равной одному футбольному полю – это примерно 2000 тонны песка. Кроме того, трубы могут соединяться между собой, что позволяет поднимать грунт с 160‑метровой глубины. Всего в его грузовой отсек может поместиться 46 000 м3 грунта. Несмотря на огромные размеры корабля, управляют таким судном всего 17 человек. Его стоимость составила 175 миллионов евро, однако продуктивность, с которой работает эта машина оправдывает затраты. Это доказывает строительство еще одного подобного судна – точной копии, получившей название Leiv Erikkson.

Технические характеристики драгера Cristobal Colon: • • • • • • • •

Водоизмещение – 59 466 тонн; Дедвейт – 78 000 тонн; Длина – 223 м; Ширина – 42 м; Осадка – 15 м; Общая мощность дизеля – 56 440 л. с.; Скорость – 18 узлов; Экипаж – 17 человек;

Возможности драгера:

Рис. 12. Драгер бункерного типа Cristobal Colon

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

• Вместимость – 46 000 куб. м; • Глубина погружения траловых устройств – до 155 м; • Количество кают – 46.

Рис. 13. Судно класса Bottsand: слева – в стандартном состоянии, справа – в рабочем

Корабль-«ножницы», собирающий нефть Суда класса Bottsand (тип 738), разработанные Deutsche Marine, предназначены для контроля за загрязнением морской воды и сбора нефтяных пятен на поверхности водной глади (рис. 13). При стандартном способе передвижения эти корабли не отличаются от других судов. Но на месте развертывания работ судно способно раскрываться по принципу «книжки» на 65°, образуя закрытый с двух сторон треугольник площадью более 40 м3, и захватывать нефтяное пятно. Загрязненная вода заканчивается в специальный отсек объемом 790 м3 и очищается от нефти. За час судно способно очистить 140 м3 воды.

Автономные телеуправляемые аппараты, дроны Как уже отмечалось, катастрофические последствия аварии на Deepwater Horizon 2010 года стали импульсом для появления большинства технических решений в области экологии последних лет. Следующие разработки практически все обязаны своим появлением именно этому событию, они возникли после 2010 года и находятся на стадии проектирования. Тем не менее, они показывают тенденцию современных технических подходов к созданию подобной робототехники, основанных на уже полученном практическом опыте. Разрабатываемая специалистами Масса чусетского института технология носит название SeaSwarm («Морская стая»). Конструкция отдельного робота представляет собой небольшой ящик с ленточным конвейером (рис. 14). Общий размер конструкции составляет около пяти метров в длину и два метра в ширину. Ленточный конвейер изготавливается из сети нано-проводов и предназначен для забора нефти с поверхности воды. Для того чтобы не тратить время на смену аккумулятора, робот оснащен солнечными батареями.

Рис. 14. Проект роботизированной стаи SeaSwarm

Одновременная работа большого количества роботов будет координироваться с помощью GPS-навигации и беспроводных технологий. Поблизости планируется размещать плавающие хранилища, куда при необходимости роботы смогут доставлять собранную нефть, либо сжигать ее самостоятельно. Разработчики считают, что группа, состоящая примерно из семи тысяч подобных машин, смогла бы очистить Мексиканский залив от нефти за один месяц. Стоимость каждого робота составит примерно 20 000 долларов. No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 15. Проект парусных дронов Protei

Компания японского изобретателя и эколога Cesar Herada ведет разработку легких парусных морских дронов Protei, также предназначенных для борьбы с разливами нефти и способных самостоятельно передвигаться к месту экологической катастрофы, работать группами или стаями (рис. 15). В конструкции Protei предусмотрен длинный и гибкий поглощающий нефть «хвост», который за один раз сможет собрать до двух тонн нефти. Аппараты могут быть переоборудованы для борьбы с любыми другими видами экологических бедствий, к примеру для борьбы с радиационным загрязнением, подобным тому, которое распространилось у побережья Японии в 2011 году. Также они будут в состоянии собирать куски плавающего пластика. По своей конструкции Protei являются надувными, небьющимися, они дешевы и легки в производстве, собрать и использовать их сможет каждый. Все это вместе взятое позволит реализовать действительно массовое их производство, что обеспечит быструю реакцию на возникшие экологические бедствия. В настоящее время роботы могут работать с помощью дистанционного управления, но в будущем планируется управление, основанное исключительно на специальных программных алгоритмах, использующих данные GPS. Следующая разработка принадлежит также японскому дизайнеру Hsu Sean. Это автоматический робот 94

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Bio-Cleaner, созданный по типу робота-пылесоса и предназначенный для очистки водоемов от углеводородных пятен (рис. 16 а). Делать он это будет за счет специальных бактерий Shewanella oneidensis, которые, воздействуя на нефть, расщепляют ее на безопасные для морской экологии вещества. Более того, аппарат планируется оснастить специальной системой, предотвращающей массовую смерть животных, которые попали в зону экологического бедствия, вызванного разливами нефти. Звуковые и ультразвуковые сигналы будут отгонять рыб, птиц и морских млекопитающих от опасных районов. Как и автоматический домашний робот-пылесос, устройство Bio-Cleaner будет работать в автономном режиме, находя выбросы нефти, передвигаясь в загрязненные зоны и очищая их. Второй тип аппаратов – Bio-Cleaner II – имеет конструкцию «змеи», но принцип использования специальных бактерий будет применен и здесь (рис. 16 б). Помимо разрушения структуры нефти, бактерии вырабатывают электричество для процесса очистки, тем самым приводя робота в движение, а вырабатываемая «змеей» чистая вода будет способствовать разложению тяжелых металлов. Данная конструкция подходит как для очистки морей и океанов, так и для использования в прудах и озерах. Встроенный в «змею» GPS помогает пользователям наблюдать за роботом. Красный сигнал светодиодов, установленных на аппарате, сообщает о том,

(а)

(b)

Рис. 16. Проекты аппаратов: а – Bio-Cleaner; б – Bio-Cleaner II

что он в процессе работы, зеленый свет сигнализирует, что уборка окончена. Таким образом, можно заметить, что помимо очевидных требований, обеспечивающих эффективность работы аппаратов, таких как маневренность и производительность, наиболее яркими характеристиками в создании современной робототехники такого типа являются: легкость конструкции, стайный принцип работы, экономичные элементы питания.

проанализировав данные, полученные от рыбацких судов, ведущих траулерный промысел. Общая площадь нефтеи газодобывающих платформ с зонами безопасности вокруг них составляет всего 0,08% от территории Северного моря. Однако рыб семейства тресковых именно в этих зонах обитает во много раз больше, чем можно было предположить даже с учетом «эффекта рифа». Возможно, эти зоны могут служить пастбищами с обильным кормом или применяться как убежища для нереста и выращивания мальков (рис. 17).

Реконструкция нефтегазовых платформ

Основные предложения по реконструкции платформ сводятся к созданию:

Идеи реконструкции отработавших платформ появились потому, что их демонтаж не только дорог, но также неблагоприятен с экологической точки зрения. Полное удаление подводных основ платформ влечет за собой необходимость надежной консервации буровых отверстий скважин, а также постоянного мониторинга их состояния. Среди экологов появилось немало противников политики демонтажа, доказывающих, что наличие подводных конструкций влияет на развитие популяций морских рыб. «Эффект рифа» – когда расположенная в море конструкция обеспечивает благоприятную среду для рыб и других подводных обитателей – известен давно. Однако считалось, что влияние этого феномена на морскую фауну довольно незначительно. Специалисты University of Aberdeen (Университета Абердина, Шотландия) это мнение опровергли,

• искусственных рифов; • переоборудованных жилых помещений: домов, гостиниц, центров для отдыха, рыбалки и дайвинга; • научно-исследовательских лабораторий; • плавучих тюрем; • экологических автономных домов и городов – в будущем. Искусственными рифами могут служить любые объекты, затопленные в океане. Мировая практика насчитывает множество специально санкционированных затоплений кораблей и различной техники у берегов многих стран (рис. 18). Это путь и для 2000 оснований платформ в Мексиканском заливе, верхние части которых срезаны и проданы на металлолом, а подводные структуры оставлены на дне. No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 17. Подводные конструкции обеспечивают благоприятную среду для развития рифов и размножения подводных обитателей

В следующие 20 лет еще 75% добывающих платформ в этом регионе перестанут действовать. Их количество не позволит обеспечить для каждой из них путь трансформации в различные жилые объекты. В связи с этим предпринимаются шаги по включению их в программу охраны и консервации морских рифов, чтобы здесь продолжала размножаться рыба. Несмотря на сложности транспортировки необходимых грузов и проведения работ на удаленных от береговой линии объектах, реализованные примеры перео-

борудования их в жилые дома и отели уже существуют. К их числу относится, например, Seaventures Dive Resort – отель, открытый на отработавшей нефтегазовой платформе у берегов Малайзии, недалеко от острова Сипадан. А также Frying Pan – небольшая платформа в Атлантическом океане 85 футов высотой, которую приобрел за 85 000 долларов продавец программного обеспечения Ричард Нил. Еще 100 000 долларов он потратил на ремонт, а сейчас в его морском доме могут расположиться и жить восемь человек.

Рис. 18. Сброс разного вида устаревшей техники в разных странах санкционирован зачастую с целью создания искусственных рифовых образований. На фотографии слева – рабочие сбрасывают на дно Сиамского залива 25 танков, привезенных из Бангкока, Таиланд

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

К числу существенно более дорогих проектов относятся превращенные в шикарные отели морские военные форты Spitbank Fort и No Man’S Land Fort, расположенные в Соленте, проливе в северной части Ла-Манша, у берегов Великобритании (рис. 19). Приближенными к реальности выглядят и предложения американской компании Morris Architects по превращению ряда списанных нефтяных вышек в Мексиканском заливе в курортные островки для отдыха и организации перемещений между ними на катерах и вертолетах. Предлагается создавать встраиваемые гостиничные номера, а затем осуществлять их монтаж на вышках. Оснастить платформы солнечными батареями, ветряными

и подводными турбинами. Экономический расчет американских специалистов вполне может сделать реальностью так называемый «Американский Дубай» и создать сотни тысяч квадратных метров дополнительного жилого пространства на объектах, расположенных недалеко от побережья. Остальные проекты можно отнести пока к футурологическим концепциям. Так, например, участники международного конкурса дизайнеров Architectural Competition Concours d’Architecture представили свое видение использования плавучих буровых платформ в качестве тюрем. Эта идея не нова, такие предложения давно звучали от разных архитекторов.

Рис. 19. Вверху – малазийская платформа Seaventures Dive Resort, внизу – переоборудованные в отели Spitbank Fort и No Man’S Land Fort

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

Рис. 20. Проекты по реконструкции отработавших платформ: слева – предложения по трансформации платформ в Мексиканском заливе, справа – проект Noah Oasis («Оазис Ноя»)

Например, по проекту лондонского архитектора Марко Красожевич тюрьму предлагается совместить с гидроэлектростанцией. Заключенные будут решать еще и задачу выработки из воды электроэнергии, используя приливы, отливы, разницу температур и т. д. Идеи оживить заброшенные структуры и превратить их в места, пригодные для жизни, озвучивают и малазийские инженеры, предлагая превратить платформы в жилые комплексы, научно-исследовательские и водолазные станции. Причем некоторые платформы позволят оборудовать жилые помещения как над, так и под водой. Концепцию архитектуры нефтяных вышек как экологических оазисов предложили китайские дизайнеры, назвав ее Noah Oasis («Оазис Ноя»), совместив разные экологические технологии. Этот красивый проект предусматривает создание на нефтяной платформе сложных конструкций, напоминающих дерево. В нижней части будут культивироваться колонны, покрытые кораллами (рис. 20).

Морские информационно-управляющие системы, 2015/ No. 2 (8)

Все эти технические предложения доказывают, что пути решения глобальных экологических проблем, в частности реорганизации нефтяных объектов, заброшенных по всему миру, или очистки гигантских пространств морской воды – существуют. Данный обзор призван показать, прежде всего, фактическое соотношение масштабов проблемы и недостаточности действий по ее решению. Несоразмерное распределение внимания и финансирования технических задач, из которых одни (в основном касающиеся освоения ресурсов) неизбежно порождают другие (устранения следствий). Эти задачи связаны, и решаться они должны в едином комплексе. В преддверии появления прекрасных плавающих экогородов – необходимо справиться, прежде всего, с тем, что представляет собой неумолимо накапливающуюся угрозу. Иначе это похоже на мечты о создании космических кораблей и освоении дальнего космоса на планете, охваченной войнами.

Источники и литература 1. Вялышев А. И., Лисовский И. В. Подводные потенциально опасные объекты. Организационно-правовые вопросы безопасности и контроля // Подводные технологии и мир океана. – 2006. – № 2. – С. 26–33. 2. Гусев А. В., Гуральник Д. Л., Кассациер К. Е., Калинин М. И. Опыт создания и использования судовых природоохранных комплексов для контроля экологического состояния акваторий // Подводные технологии и мир океана. – 2006. – № 2. – С. 34–43. 3. Лисовский И. В., Вишняков В. С. Взрывоопасные объекты в акваториях: факторы риска // Морские испытания. – 2008. – № 2. – С. 32–39. 4. Васецкий В. А. Нормативно-правовое обеспечение безопасной деятельности на континентальном шельфе Российской Федерации // Морские испытания. – 2008. – № 1. – С. 30–41. 5. Лисовский И. В. Затонувшие атомные подводные лодки – насколько реальна радиоэкологическая угроза? // Подводные технологии и мир океана. – 2006. – № 5–6. – С. 8–16. 6. Кобылянский В. В., Казённов А. Ю., Кикнадзе О. В. Подводные захоронения радиоактивных отходов в Арктике: какова реальная угроза? // Морские информационно-управляющие системы. – 2013. – № 1. – С. 78–92. 7. Арфаниди М. В. ARGO – глобальная сеть океанографических станций. Технический обзор // Морские информационно-управляющие системы. – 2014. – № 2. – С. 26–33. 8. http://www.divest-project.eu/ – официальный сайт европейского проекта DIVEST по оптимизации демонтажа судов. 9. http://demontagniki.ru/ – официальный сайт ООО «Металлпром», предлагающего услуги по утилизации кораблей, судов, дебаркадеров и барж в России. 10. http://www.5gyres.org/ – сайт Института пяти круговоротов (Five Gyres Institute, США). 11. http://www.theoceancleanup.com/ – официальный сайт проекта The Ocean Cleanup. 12. http://ru.euronews.com/ – новостной портал Евроньюc. 13. http://web.mit.edu/ – сайт Массачусетского технологического университета (MTI), США. 14. http://www.cesarharada.com/ – сайт изобретателя Сезара Харада. 15. http://senseable.mit.edu/seaswarm – сайт проекта SeaSwarm. 16. http://korabley.net/ – информационный портал.

No. 2 (8) / 2015, Морские информационно-управляющие системы

РЕДАКЦИОННАЯ ГРУППА: Руководство: Кобылянский В.В. Выпускающий редактор: Манохина И.И. Технические консультанты: Арфаниди М.В. Бункин А.Ф. Горшков А.Г. Губанов М.Ю. Лушников Д.Л. Першин С.М. Попов А.М. Организационная помощь: Осипова С.В. Дизайн и верстка: Маркин О.Д. Полная или частичная перепечатка, либо иное использование материалов, опубликованных в журнале «Морские информационно-управляющие системы», без письменного разрешения издателя не допускается. Рукописи рецензируются. Реклама в настоящем номере размещена на полосах: 46-47, 79, 3-я полоса обложки. Издатель: Акционерное общество «Концерн «Моринформсистема-Агат» Адрес редакции: Москва, ул. Шоссе Энтузиастов, д. 29 Тел.: +7 495 603-9034 E-mail: innovation@concern-agat.ru, issue@ocean-platform.ru Website: www.concern-agat.ru, www.ocean-platform.ru Источники фотоматериалов: указаны в списках источников и литературы к статьям Печать: ООО «Август Борг» Москва, ул. Амурская, д. 5, стр. 2 Издание зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Регистрационное свидетельство: ПИ № ФС 77-53922 от 26 апреля 2013 года.

ISSN 2308-2119

100

Подписано в печать: 27.10.2015 г. Тираж: 1000 экз.