Дата публикации 21 января 2026 | |
Источник
Морское Информационное Агентство |
(серия статей раскрывающих тему гидроакустических технологий)
Часть вторая. Гидроакустические технологии и антропогенная безопасность.
Гидроакустические технологии — искусственное дополнение к человеческой сенсорике которое позволяет нам «видеть шёпот глубин» и, буквально, чувствовать подводное пространство. Это открывает человечеству большие горизонты в вопросах освоения водных просторов Земли.
Исследования морей и океанов, экологический мониторинг, инженерные изыскания, обеспечение безопасности – краткое перечисление сфер применения гидроакустических технологий. Однако исходя из актуальности, рассмотрим роль гидроакустических технологий в обеспечении безопасности от злонамеренных антропогенных угроз, а именно от диверсий, вандализма, террористических актов и военной агрессии.
Гидроакустические технологии имеют несколько важных точек приложения, основные из них:
слушать и анализировать акустические сигналы;
мониторить толщу воды;
мониторить толщу и определять плотности и скорости звука в многослойных донных осадках;
мониторить поверхность дна;
передавать/принимать информацию;
оценивать перемещение (водной массы, относительно дна и воды);
определять материалы (не химического состава! – ил, песок, камень, дерево, металл, типы осадков) через измерение их физической плотности и упругости.
За последние годы бурное развитие техники позволило создавать уникальные мультифункциональные гидроакустические системы, позволяющие решать различные задачи.
Система Sea Spear в развернутом положении
Задача обнаружения движущихся под водой объектов интереса имеет две основных реализации – стационарная и мобильная/быстроразвертываемая.
Стационарные системы имеют один существенный минус – они сами являются целью с «фиксированными координатами» и понятными методами их поражения/выведения из строя. Однако, их применение вполне оправдано при построении эшелонированной системы обнаружения.
Мобильные/быстро развертываемые комплексы сложнее в реализации и, до определенного момента развития технологий, были слишком дорогие. Однако современные решения показывают очень хорошее соотношение функционал/стоимость и результаты их применения.
Краткий обзор
Система Sea Spear1, разработки компании Ultra Maritime. Система оснащена большим количеством пассивных датчиков, автоматически разворачивается создавая высокопроизводительную матрицу с широкой апертурой. Может разворачиваться, как с судов, так и со стационарных платформ.
Мобильность, удобство обслуживания, применима для использования на различных глубинах. В систему включен искусственный интеллект для обработки тактических данных для мониторинга, обнаружения и идентификации угроз. Информация обрабатывается «на борту» и может передаваться по гидроакустическим каналам связи.
Система Sea Spear в процессе развёртывания
Отдельно отметим гидроакустические буи (Sonobuoys, технология DIFAR - Directional Frequency Analysis and Recording) этой же компании - Ultra Maritime. Как правило, буи сбрасываются с носителя (судна или летательного аппарата) и образуют разнесённую сеть (немассивную систему), что позволяет:
оперативно (за 10 мин.) снимать температурный профиль толщи воды;
определять координаты (грубое начальное пеленгование на протяжении от 1 до 6 часов) движущейся одной или нескольких подводных целей.
С учетом развития нейросетевых технологий оператор, используя двустороннюю радиосвязь, сможет управлять сетью данных устройств каждым по отдельности или всеми сразу, изменяя режимы работы и получая информацию в режиме реального времени.
Основой данной технологии является векторный датчик, который измеряет не только скалярную величину — акустическое давление (P), но и векторную величину — скорость колебания частиц (V) воды в точке приёма. Направление колебания частиц воды (акустический вектор скорости) совпадает с направлением на источник звука. Сравнивая фазу сигнала давления и сигналов о компонентах скорости (по разным осям), можно определить пеленг на источник в горизонтальной плоскости.
Современные исследования и разработки ведутся в области создания фазированных решёток, каждый элемент которой является векторным датчиком. Это так называемые векторные решётки. Они объединяют преимущества векторного приёма (компактность на низких частотах, однопунктное пеленгование) с преимуществами решёток (высокое разрешение, помехозащищённость).
Похожий принцип применяется в системе NiKA2, разработанной компанией MetOcean Telematics. Буи, оснащенные гидрофонами (10 Гц – 2,4 кГц, радиус обнаружения сигнала: 9,26 км (5 морских миль)) и системой спутниковой связи Iridium Certus® (до 88 Кбит/с). Программируются на определенную глубину или на перемещение в заданных границах глубин. Перемещение в толще воды регулируется пневматикой. При обнаружении и идентификации сигнала буй всплывает и передает свое местоположение и записанные данные посредством спутниковой связи.
Широко известная в прошлом система SOSUS3 (сегодня это Integrated Undersea Surveillance System (IUSS)) претерпела множество изменений и продолжает развиваться. Основными компонентами являются гидрофонные массивы, размещенные на разных глубинах, в том числе на оси SOFAR-каналов (Sound Fixing and Ranging Channel или Deep Sound Channel, DSC) -глубокий звуковой канал (естественный акустический волновод позволяет низкочастотным звуковым волнам в канале распространяться на тысячи километров перед рассеиванием). Подключение массивов осуществляется подводными кабелями, которые связаны с береговыми станциями. К концу 1998 года вся береговая инфраструктура была оснащена общей конфигурацией оборудования. Расширением возможностей IUSS стала мобильная компонента SURTASS3,4 (Surveillance Towed Array Sensor System) - система буксируемых антенн. Это сетевая линейная система буксируемого массива пассивной и активной гидроакустики, дополняющая стационарную систему IUSS. Преимущества мобильной компоненты:
перемещение в требуемые координаты;
возможность приблизиться к возможным контактам и следить за ними;
стоимость обслуживания.
Система IUSS явилась прародителем новых разработок:
DRAPES (Deep Reliable Acoustic Path Exploitation System)4 основана на пассивной системе прослушивания с новой коммуникационной способностью для передачи данных. Для этого заложено использование подводных акустических модемов для передачи акустических данных, позволяя создать подводную беспроводную сеть.
Компоненты системы - RAPVLA (Reliable Acoustic Path Vertical Line Arrays) установленные на значительных глубинах (где уровни фонового шума низкие) в открытом океане, получают большой сектор контроля толщи воды. Архитектура размещения данных компонентов — это морской эквивалент космических спутников.
Акустические модемы позволяют передачу данных между узлами (другими гидрофонными массивами, BUV, USV, поверхностными буями), которые затем, либо отправляют данные через спутник, либо на ближайшие корабли.
SURTASS-E5,6 (Expeditionary SURTASS) это модернизация классической системы SURTASS с учетом современных технологий. Является мобильным тактическим элементом глобальной системы подводного наблюдения ВМС США. Полученные акустические данные в реальном времени обрабатываются на борту и могут передаваться через спутниковые каналы связи в общую сеть, для формирования единой оперативной картины.
Всё необходимое оборудование для обработки сигналов, управления и связи размещено в стандартных ISO-контейнерах, которые могут быть быстро погружены на борт корабля-носителя. Алгоритмы обработки сигналов специально настроены для борьбы с реверберацией, многолучевым распространением и высоким уровнем фоновых шумов, характерных для прибрежных зон.
SEABED SENTRY7. Anduril Industries запустила Seabed Sentry — AI-enabled - мобильную подводную связанную сеть узлов-датчиков для постоянного мониторинга и связи в реальном времени с применением ИИ.
Seabed Sentry состоит из мобильных автономных сенсорных узлов, которые могут обнаружить, обрабатывать и передавать критически важные данные без зависимости от стационарной инфраструктуры. Система использует искусственный интеллект (ИИ) и развертывается автономными подводными аппаратами (L и XL-AUV) семейства Dive компании Anduril.
Что ждать в будущем?
Будущее развитие описанных выше систем базируется на внедрении новых технологий и выстраивания новых архитектур.
Задачи остаются прежние – обнаруживать и идентифицировать предметы интереса (от больших до малых размеров) на больших расстояниях – сделать всё водное пространство «прозрачным».
Новые архитектурные решения сегодня проектируются с опорой на существующие:
каждая новая подсистема дополняет старую (интеграция в единый контур);
элементы старой системы модернизируются/заменяются на новые с учетом будущего расширения функционала;
алгоритмы и результаты обработки данных— это колоссальная библиотека для обучения ИИ новых подсистем.
Долгосрочные программы развития (например ONR «Ocean Acoustics»8) сетей фокусируются не на антеннах, а на фундаментальных исследованиях в области распространения звука, предсказания среды, физической океанографии и продвинутых методов обработки сигналов. Цель — преодоление ограничений, накладываемых самой океанской средой, через лучшее её понимание и моделирование, что является задачей именно обработки и интерпретации данных.
Множество спонсируемых разработок посвящаются алгоритмам: адаптивная обработка, пространственно-временной анализ, классификация с помощью машинного обучения, подавление помех, сжатие данных для акустических каналов.
Программа DARPA «Ocean of Things»9 является логическим продолжением и ярчайшей иллюстрацией данного тренда. Суть программы заключается в создание сети из тысяч дешёвых, простых с точки зрения гидроакустики датчиков (буёв), где ценность системы заключается не в качестве «железа», а в облачной аналитике больших данных, собираемых с этой распределённой сети.
Пример архитектуры многокомпонентной распределенной сети
Революция сейчас происходит в области алгоритмов и вычислительных архитектур, в то время как развитие собственно антенных технологий (пьезокомпозиты, векторные датчики и пр.) носит эволюционный и поддерживающий характер.
Ключевые комплексные направления развития:
1. Создание глобальных и региональных подводных акустических сетей и систем распределённого зондирования - интеграция стационарных (донных), мобильных подводных (AUV, буи, ПЛ) и мобильных надводных (БЭК, корабли, буи) гидроакустических средств в единую сеть с общим информационным полем.
Особенности:
распределённая апертура - множество разнесённых в пространстве различных датчиков работают согласованно;
сквозной акустический/оптоволоконный канал связи для обмена данными между узлами сети;
единый центр обработки данных (в т.ч. облачный), где происходит сведение информации и анализ данных.
Перспективы:
непрерывное всепогодное наблюдение за акваторией;
сверхдальнее обнаружение за счёт синтеза апертуры и глубокой обработки сигналов от разнесённых узлов;
повышение живучести - отказ отдельных узлов не выводит из строя систему.
2. Гибридные и многокомпонентные активные системы. Переход от классической схемы (приёмник и передатчик в одной точке) в пользу систем, где один или несколько независимых передатчиков освещают акваторию, а множество распределённых приёмников (на дне, AUV, буях) улавливают отражённые сигналы.
Перспективы:
колоссальное увеличение зоны контроля с одного носителя;
повышение скрытности носителей-приёмников - не излучают;
устойчивость к средствам перехвата, так как приёмники пассивны, а передатчик может использовать сложные LPI-сигналы (с низкой вероятностью перехвата).
3. Интеграция гидроакустики с неакустическими методами обнаружения и системами - создание комбинированных систем, где данные гидролокации дополняются информацией из других физических полей.
Дополнительные компоненты:
магнитометры для окончательной идентификации и классификации подводных целей (особенно ПЛ);
оптические/лидарные системы для идентификации в приповерхностном слое и на мелководье с высоким разрешением;
спутниковые данные для обнаружения поверхностных проявлений;
гидрофизические датчики для построения точных моделей звукопроводности.
Перспективы:
резкое снижение вероятности ложной тревоги;
всепогодность и непрерывность наблюдения;
получение комплексного портрета цели и среды.
4. Применение искусственного интеллекта и больших данных на всех этапах обработки информации - внедрение машинного обучения и глубокого обучения не только для классификации, но и для управления системами, прогнозирования распространения звука и управления работой сенсоров.
Решаются следующие задачи:
автоматическая классификация целей (распознавание по акустическому портрету) на основе нейросетевых алгоритмов;
адаптивное планирование миссий для АНПА на основе прогнозных моделей акустических полей;
интеллектуальное сжатие и фильтрация данных для передачи по узкополосным акустическим каналам;
цифровые двойники акустической среды для моделирования и оптимизации работы систем в реальном времени.
5. Развитие автономных носителей, как интегрированных платформ для развёртывания гидроакустических систем и комплексов.
Автономные носители перестают быть просто носителями оборудования, а становятся интеллектуальными мобильными узлами сетевой системы, способными на адаптивное поведение.
Компоненты:
собственные гидроакустические комплексы на борту;
акустические модемы для сетевого взаимодействия;
энергоэффективные двигатели и системы навигации (без GPS);
бортовая интеллектуальная система для принятия решений (следовать за целью или детально обследовать аномалию и т.д.).
Перспективы:
масштабируемость и гибкость развёртывания систем;
возможность работы в запретных для человека зонах;
создание роевых систем для синхронного зондирования.
6. Переход к программно-определяемым и открытым архитектурам — создание гидроакустических систем, где ключевые функции реализуются программно на универсальных вычислительных платформах, что позволяет обновлять и модернизировать систему без или с минимальным количеством замены «железа».
На основании обзора института военных исследований (Institute for Defence Analysis) министерством обороны США сделан вывод о необходимости принятия ряда мер в целях экономии финансовых средств и ускорения внедрения технологий, а именно:
прекратить практику разработки ЭВМ для военного ведомства «с нуля»;
принять концепцию COTS (Commercial Off-The-Shelf), допускающую применение в системах военного назначения готовых комплектующих и программного обеспечения коммерческого назначения;
внедрить в разработку вычислительных систем военного назначения принцип «открытой архитектуры», позволяющий вводить в существующие системы новые структурные элементы, в том числе изготовленные по коммерческим стандартам.
Будущее гидроакустики — это сетевые, интеллектуальные, гибридные и распределённые системы, в которых сами гидроакустические технологии становятся одним из элементов более широкого контура информационного превосходства в подводной среде. Развитие определяется не столько прогрессом в отдельных компонентах, сколько их синергией под управлением передовых алгоритмов.
