С разрешения Курышева В.Е. размещаю его статью для ознакомления. Думаю, она будет интересна многим.
КАК РАБОТАЛА ПРИСТАВКА РИЦА
В.Е.Курышев
Сейчас уже ни для кого не секрет, что в период холодной войны 80-90-х годов советские подводные лодки уступали американским ПЛ по дальности их обнаружения. В своей статье «Мифы с приставкой Рица», я коснулся путей преодоления этого кризисного состояния в отечественной гидроакустике, поэтому повторяться не буду. Прошло четверть века и, за это время, гидроакустическая наука так и не сумела оппонировать Рице. Поэтому, для тех, кто знает и помнит Рицу и, кому это будет не безынтересным, я расскажу о некоторых технических решениях, в своё время реализованных в приставке Рица, которые позволили ей увеличить дальность обнаружения малошумных ПЛ в 3-5 раз, по сравнению со штатными ГАК ПЛ.
В середине 80-х, на Северном флоте, группой офицеров подводников, в инициативном порядке (соавтором был Буковский Ю.В. и Сумачёв А.М.), была создана приставка «Рица». Она представляла из себя дополнительное устройство к штатному ГАК ПЛ и предназначалась для обеспечения гидроакустиков дополнительной информацией при поиске малошумных ПЛ. При этом, для анализа, использовались те же гидроакустические сигналы, что получал из окружающей среды штатный гидроакустический комплекс (ГАК). Т.е. они работали параллельно, не мешая друг другу. Технически приставка представляла собой аппаратно программную систему, созданную на базе спектроанализатора БПФ-2М и ЭВМ ДВК-2М, сопряжённых в единый комплекс, под управлением единой ОС. Входные г/а сигналы, после формирователей ДН, оцифровывались, обрабатывались прикладными программами и отображались на экране ЭВМ. Т.о. можно сказать, что был создан дополнительный цифровой тракт ШП для ГАК МГК-400, аппаратно размещавшийся в рубке гидроакустиков. Как ни странно, но внедрение приставки на корабли флота вызывало большое раздражение не только у отдельных учёных, работавших по аналогичным направлениям в профильных организациях, являвшихся монополистами в данной области, но и у некоторых специалистов РТУ и ВМА, а так же у отдельных руководителей ВМФ. Одной из причин такого раздражения являлась высокая эффективность приставки по обнаружению малошумных ПЛ, при её, сравнительно малой, стоимости и массогабаритных размерах. Ещё бы, ведь в повышение эффективности штатных гидроакустических систем обнаружения ПЛ вкладывались солидные государственные средства. По этой тематике проводились плановые НИРы, НиОКРы, разрабатывалась и совершенствовалась аппаратная часть и методы обработки акустических сигналов. Всё это стоило очень больших денег, а отдача была не соразмерна вложениям. При колоссальных затратах удавалось достичь не пропорционально маленький прирост эффективности, измеряемый единицами процентов. Пожалуй, это-то и являлось основной причиной раздражения - приставка стоила мало, но давала прирост эффективности в сотни процентов, а в разработку новых гидроакустических систем вкладывалось очень много средств, а прирост эффективности составлял всего несколько процентов.
Напомню, основным режимом работы старого ГАК МГК-400 был режим «Круговой обзор» (КО). Три диаграммы направленности (ДН), разнесённые в пространстве относительно друг друга на 120 градусов, делали полный оборот по горизонту за 6 секунд каждая. Проходя по очереди направление на гидроакустическую цель, ДН формировали индикаторную функцию, похожую на автокорреляционную (или антикорреляционную) функцию, максимумом направленную на цель. Как правило, оператор гидроакустик переключал одну из вращающихся ДН в режим ручного наведения на цель и включал режим автоматического сопровождения цели (АСЦ). Далее, он прослушивал сигнал от цели в различных диапазонах частот, т. е. осуществлял классификацию цели на слух. Эта процедура занимала, иногда, довольно много времени - до 10 минут. Всё зависело от интенсивности обнаруженного сигнала. Затем, следовал доклад в центральный пост, о том, что обнаруженная цель по пеленгу такому-то либо надводный корабль, либо транспорт, либо рыболовный траулер, либо подводная лодка. Переключившись в режим АСЦ, оператор докладывал ежеминутно пеленг на цель, записывал его в вахтенный журнал, а так же, её класс и другие признаки.
В силу малошумности подводных лодок (ПЛ) и, вследствие этого, как правило, небольшой дистанции их обнаружения ГАК, пеленг на обнаруженную ПЛ, изменялся очень быстро. Центральный пост (ЦП) даже не всегда успевал толком рассчитать правильный манёвр для занятия позиции слежения за обнаруженной ПЛ, так как гидроакустик, через 2-3 минуты, уже терял контакт с целью, получая на свою голову из ЦП отчаянную «матерную благодарность» вахтенного офицера или командира лодки. Иногда контакт с ПЛ терялся быстрее, чем командир успевал прибыть в ЦП. Вот так, зачастую, заканчивалось большинство редких обнаружений ПЛ, за которые на берегу раздавались благодарности и медали. Вероятный противник давно модернизировал свои лодочные гидроакустические системы обнаружения по программе ARCI, что позволило ему значительно увеличить свою дальность обнаружения наших ПЛ. Упреждающая дальность обнаружения позволяла противнику скрытно следить за нашими ПЛ, находясь в готовности к их уничтожению по приказу. Наши лодки, возвращаясь с боевой службы (БС) домой, порой, не догадывались о том, что постоянно находились под прицелом подводного противника. Особенно это было актуально для «стратегов». Советские подводники были заложниками устаревшей гидроакустической техники.
Удивительно, но командование ВМФ, в течение 20 лет, (с 1991 г), не предприняло никаких мер по модернизации существующих ГАК на действующих ПЛ. На вновь строящиеся ПЛ устанавливались дорогостоящие цифровые ГАК, разработки начала 80-х, которые не давали существенного прироста по дальности обнаружения современных подводных лодок, т.к., в современных ЦГАК, в основном, повторялись принципы старой аналоговой обработки. А шумность современных ПЛ существенно снизилась. Американцы с 1997 года занялись модернизацией своих ГАК ПЛ цифровыми приставками, чем, в последующем, снизили их (ГАК) стоимость в 8 раз. По программе ARCI в ВМС США модернизировано 72 лодки. Соратник Буковский Ю.В. получил телефонный звонок из Нью-Йорка на чистом русском языке с признанием, что Рица была первенцем в развитии COTS-технологии. Американцы пошли этим путём, при модернизации своих ГАК, опоздав от Рицы на 13 лет.
АНАЛИЗ-ПОЧЕМУ ТАК? Обработка шумового сигнала в старых комплексах не решает задачу обнаружения, а только лишь осуществляет его индикацию по пеленгу на индикаторе кругового обзора. Индикаторный процесс - это взаимокорреляционный процесс двух половин антенн, дающий максимум в направлении на цель. Корреляция делается очень примитивно. Разработчики «выгибают» спектр сигнала (выбеливают), что бы он выровнялся в данном диапазоне по спектру, а потом, с богом, на корреляцию, вот вам и вся обработка. Разработчики и поставщики этой техники объясняют её низкую эффективность неумением моряков её грамотно обслуживать и эксплуатировать в боевых условиях. Однако, это не так. Теория обнаружения предполагает в любой аппаратуре обнаружения, прежде всего, три аксиомы: несмещённости, подобия и инвариантности. А эти принципы в ГАК не реализованы. Отсюда все проблемы. Разработчикам следовало бы помнить, что далее 5 км сигнал развален многолучёвостью, помехами судоходства и собственной помехой.
Благодаря помощи командования Северного флота (СФ) я получил около сорока лодко - выходов с Рицей, для изучения различных явлений, происходящих с сигналом от малошумной лодки на дистанции более 5 км. Думаю, что уже никакой учёный не получит такой возможности, какую предоставил мне флот для исследования Рицей гидроакустических шумов целей. Исследования показали, что сигнал от малошумной ПЛ уже не имеет спада спектра шумового сигнала 6 дБ на октаву, поэтому и предварительная фильтрация ГАК не адекватна. В ходе изучения полученных материалов было установлено, что сигнал от малошумной ПЛ на дистанции более 10 км, хоть и развален, но всё же существует в отдельных узких участках спектра и может быть использован для обнаружения. Это следует учитывать при корреляции, чтобы коррелировала не помеха, а только участки с сигналом. Но, к сожалению, обработка в ГАК подобную схему не реализует. А это давно применяемая на практике обработка, придуманная ещё учёными Винером и Хопфом. А с 1975 года известна адаптивная обработка, подавляющая помеху и использующая узкие участки спектра с сигналом, для дальнейшей корреляционной обработки. Но разработчики не удосужились сделать и этого.
Возвращаясь к Рице, могу сказать, что многочисленные эксперименты в море по использованию Рицы совместно с ГАК и последующий анализ полученных результатов показали неадекватность обработки шумовых сигналов от малошумных лодок штатным гидроакустическим комплексом. Ознакомившись с этими выводами, научное сообщество, совместно с РТУ ВМФ, подвергло их обструкции. Однако, в мою защиту выступило Командование СФ, предложившее нашей группе продолжить работы, обязав флотское РТУ обеспечить группу новейшей цифровой техникой. Правда, для этого пришлось задействовать в дальнейшем ЦК КПСС.
Вывод: в старых комплексах нет адаптивной обработки подавления помех и автоматического обнаружения дискретных составляющих (ДС), так или иначе, присутствующих в структуре, практически, любого шумового сигнала, в том числе, даже от самой малошумной ПЛ. Попытки использовать, для этих целей, анализаторы спектра оказались бесполезны, из-за отсутствия в них автоматических алгоритмов обнаружения слабых ДС и «многомерности» спектрального представления спектра. Гидроакустики научились с помощью спектроанализаторов обнаруживать только свои помеховые ДС, имеющие достаточно большие амплитудные значения и легко различимые на глаз.
ДС в шумах целей представляют собой нестационарный процесс. Амплитуды этих ДС, зачастую, могут быть меньше помеховых составляющих и визуально оператором не обнаружимы. Вывод очевиден - простые анализаторы спектра, без специальной цифровой обработки их выходной информации, в качестве дополнительной аппаратуры к ГАК, на лодках не пригодны. Напомню, цифровой техники для быстрой, в реальном масштабе времени адаптивной обработки, в СССР в 80-х годах не было. Были отдельные цифровые приборы, которые не были состыкованы между собой аппаратно программным способом. Пришлось, задействуя ЦК КПСС, привлекать Академию наук СССР, с членом-корреспондентом Нестерихиным Ю.Е., и с помощью дополнительной платы цифрового процессора СП-6 состыковывать, входящие в состав Рици, ЭВМ ДВК-2 с БПФ-2М. Этого хватило на адаптивную информационную обработку шумового сигнала по горизонту, в режиме КО, со скоростью 60 градусов в секунду. Время накопления, при обзоре горизонта одной ДН, составляло 12 минут. Такой медленный обзор приводил к следующему эффекту – на дистанциях более 100 кбт ПЛ обнаруживались по пеленгу с точностью 3-5 градусов. На небольших дистанциях, сопоставимых с дальностью обнаружения ГАК, Рица теряла пеленг на цель, так как время накопления было существенно больше времени нахождения цели в лепестке ДН. Цель, просто, выходила из зоны обзора одной ДН и перемещалась в соседнюю ДН. Этот эффект Рицы (не обнаружение цели на маленькой дистанции при быстром изменении пеленга) вызывал у представителей «науки» и РТУ ВМФ неподдельную радость. Дескать, если Рица вблизи не обнаруживает цели, то куда ей обнаруживать их на больших дистанциях. Но подобный эффект наблюдался только при быстром изменении пеленга на цель. При неизменности пеленга, Рица прекрасно обнаруживала цели и на маленьких дистанциях. Из-за этого меня обзывали шарлатаном, пытались оказывать давление на меня и на офицеров группы, с целью прекращения работ по Рице. Однако Командование СФ знало о подобных эффектах, вызванных медленной работы Рицы, понимало его физическую сущность и, в общем-то, не обращало внимание на то давление, которое на меня оказывалось. В таких ситуациях, отстаивая свою работу перед комиссиями, оценивавшими Рицу, приходилось нелицеприятно высказываться в адрес особо ретивых «учёных», учить их азам теории информации и прочего. Поэтому, до сих пор, отдельные «учёные» товарищи замирают от страха при упоминании моей фамилии. Итак, на основе полученных результатов в море по реальным целям, я сделал вывод: встраивать, подобную Рице, аппаратуру на корабли флота нужно. Делать это можно было оперативно и без проблем только при наличии устойчивых связей с руководством флота. Флот обеспечивал мне все практические исследования через флотские приказы и директивы. Мне строго настрого запретили общаться с представителями «науки» и РТУ ВМФ, прибывших на флот для изучения Рицы. Командование посчитало правильным, их, к моим работам, не допускать, т.к. всё равно никакого проку от их бестолковой болтовни и критики не было. «Отбитые задницы» и то флотское унижение за своё непонимание, отдельные представители «науки» помнят до сих пор. Они, и по сей день, так и не смогли дать математического оппонирования принципам работы Рицы и поэтому везде, где только можно, выдвигают голословные утверждения, что Рица не работоспособна.
Я помню, как начальник штаба СФ вице-адмирал Коробов В.К. выдал мне 400 рублей для командировки по стране для поиска соответствующей аппаратуры. Цифровой анализатор «Чарыш» к Рице я нашёл во Львове, у доктора наук Агизима А.М. (ныне проживает в Израиле), а маленькую ЭВМ ДВК-2 - в Зеленограде, под Москвой, у конструктора Хохлова М.М. Большую помощь мне оказывали Первый заместитель ГК ВМФ адмирал флота Н.И.Смирнов и Заместитель ГК по БП адмирал Г.А.Бондаренко. Они уже с «наукой» и РТУ нормально не разговаривали и словесно «избивали» их в своих кабинетах при мне матом (что было, то было). Радиотехническая служба ВМФ крутилась как белка в колесе, выполняя указания руководства флота по оснащению меня всем необходимым оборудованием. Вот так внедрялась приставка Рица на советском флоте в 80-х годах прошлого столетия. И всё это инициировал, всего лишь, какой-то старший лейтенант, занимавший первичную должность на ДПЛ, командир ГАГ. Оглядываясь назад, думаешь, возможно ли было такое вообще, не сон ли всё это?
Но оставим лирику.
Случай свёл меня с академиком А.Н.Колмогоровым. Как ни странно, автор теории вероятности, поняв проблему дальности обнаружения, попросил меня отказаться от вероятностных методов максимального правдоподобия для обнаружения. Он предложил мне обратиться к математическому аппарату теории информации, который и был мной, в последствии, с успехом реализован в Рице. Преимущество информационно-адаптивного метода оказалось в том, что он не требовал больших вычислительных затрат, как адаптивные алгоритмы Винера-Хопфа, Грифитса и Фроста, не нуждался в вычислении корреляционных функций, был прост и эффективен в технической реализации. Метод автоматически обнаруживал помеховые участки в заданном частотном диапазоне и выбрасывал их из сигнала. Это первое свойство информационно-адаптивного метода, реализованного в Рице. Это легко увидеть из формулы Шеннона I(S)=log((N+S)/N) N-помеха, S –сигнал. Если S=0, то I(S)=log(N/N)=log(1)=0 –информация о сигнале равна нулю. По этой формуле отбирались участки, где S >0 и только они, в дальнейшем, суммировались. Это и есть «Рицевский» информационный метод подавления помехи и выделения слабого сигнала в выбранном диапазоне частот ГАК. Максимум этой суммы соответствовал направлению на цель. С ГАК «Рубикон» Рица работала по формуле каналов «суммы» и «разности» I(S)=log((S1+S2)/(S1-S2)).
S1 и S2, это смесь сигнала и помехи с двух половин антенн. Кто знает математическую статистику, тот понимает, что дисперсия суммы двух независимых величин равна дисперсии разности этих независимых величин.
При S=0 I(S)=log([2(S1+S2)/2(S1-S2)])=log(12/22)=log(1)=0.
При появлении сигнала S > 0
log 2(S1+S2) > log 2(S1-S2) и log(12/22) > 0 и I(S) >0.
Таким образом, происходит выделение информации о сигнале и исключение информации о помехе в суммарной индикаторной функции, при выводе на экран. Максимум информационной функции является направлением на цель. Участки спектра с помехой в логарифмировании не участвуют. Информационный функционал отношения логарифма дисперсий каналов суммы и разности оказался очень чувствителен к слабым сигналам. Это позволило гидроакустику обнаруживать факт наличия цели на экране Рицы и, соответственно, направление на неё, при очень низких соотношениях С/П входного сигнала. При таких уровнях входного сигнала штатный комплекс воспринимал этот же входной сигнал на уровне помехи и не отображал его на индикаторе КО ГАК. Одна из проблем для Рицы состояла ещё и в том, что дальности обнаружения целей были настолько большие, что акустики и командиры, по началу, отказывались в это верить. Однажды, в штабе флота, произошёл скандал между «дизелистами» и «атомоходчиками», когда «дизелисты» торжественно докладывали, что они обнаруживали атомные лодки по Рице на дистанции 300 кбт, ну а те их, естественно, не слышали вообще. Об этом я узнал, когда несколько командиров «дизелистов» были награждены медалями за освоение новой техники (Рицы). Они нашли меня на лодке, усиленно жали мне руку и предлагали мне выпить. Но я в то время был «белой вороной» и отказывался от рюмки.
Следует признать, что алгоритмы Рицы были математички более сложны, чем в ГАК, так как шумовой сигнал описывался уравнением Уишарта. Эти алгоритмы возможно было реализовать только методами цифровой обработки сигналов. Основная сложность состояла в определении уровня значимости (ложной тревоги). Аппроксимация нормальным распределением индикаторной функции I(S) здесь не подходит, а критерий Неймана-Пирсона просто не работает. Этот критерий не пригоден для многомерных сигналов (со многими степенями свободы). Из-за этого традиционные ГАК не могут далеко обнаруживать и классифицировать подводные лодки.
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ дискретных составляющих спектра.
В Рице, для выделения слабых тональных сигналов из шумов, разваленных средой и Доплером, не используются автокорреляционные алгоритмы обработки из-за их низкой эффективности. Проще, применение простого, безоконного БПФ. Накопленные отсчёты БПФ имеют нецентральное распределение хи-квадрат со смещением, с числом степеней свободы 2N (N-число усреднений). Исходим из того, что коэффициент нецентральности у большинства отсчётов равен нулю (отсутствие тонального сигнала в отсчёте). ДС однозначно имеет смещение и её параметр нецентральности не равен нулю. Все отсчёты имеют одинаковые степени свободы, но разные параметры нецентральности, характерные для ДС. ДС, это серьёзный демаскирующий признак цели. В Рице реализовано автоматическое обнаружение ДС по критерию Фишера-Снедекора с заданным числом степеней свободы. В числителе число степеней свободы 2N, а в знаменателе 2NK, где К - ширина медианного окна. При медианном методе используются соседние отсчёты проверяемого отсчёта и локальная медиана используется для знаменателя в критерии Фишера-Снедекора. Порог значимости пересчитывался автоматически, при изменении N. В Рице принят уровень значимости (ложная тревога) 0,001. Автоматический алгоритм обнаружения ДС работал очень быстро. Он-то и помог нащупать ДС в шумах американских подводных лодок. Из 4096 отсчётов аналогового сигнала использовались только 1300 отсчётов с разрешением по частоте 2 Гц. Ширина отсчёта по известным причинам не может быть меньше. Можно точно определить частоту тона разрешения менее 2 Гц, но при этом теряется инвариантность признаков для классификации.
Моя группа проделала большую работу по созданию базы данных по ДС различных целей, для разработки программы автоматической классификации. Дополнительно к этим данным, по указанию Н.И.Смирнова, нам был предоставлен для исследований банк шумов целей, накопленный флотом в процессе БП. В 1985 году, в г. Полярный, для ознакомления с результатами работы и возможностями автоматического классификатора Рицы, прилетел заместитель ГК ВМФ адмирал флота Г.А.Бондаренко. Увидев возможности автоматического классификатора Рицы и оценив его потенциал, он, на радостях, попросил коньяку. Недостатком разработанной программы классификации, была необходимость обучения алгоритма распознавания на постоянной выборке шумов. Мы понимали эти недостатки, но даже в таком варианте эта программа являлась настоящим прорывом в области автоматизированной классификации целей. В качестве основы мы использовали программный пакет, разработанный Уральским отделением Академии наук СССР. Передал их нам доктор наук Мазуров. Во истину, в создание приставки внесла свою лепту вся страна. Рица вобрала в себя все передовые технологии в области микроэлектроники, цифровой обработки сигналов и программного обеспечения. В Рице был реализован автоматический алгоритм «обучение», включавшийся во время сопровождения цели АСЦ ГАК, при её хорошем соотношении С/П, а также, при достоверной классификации на слух.
Что бы дать представление о возможностях Рицы по дальности обнаружения, приведу такой пример. Однажды офицеры ОУ штаба Северного флота, по представленным с Рицы пеленгам, вычислили дистанции обнаружения непонятных целей. Проверив штурманские документы, и наложив кальки маневрирования с пеленгами на цели, определили, что этими целями оказались буровые вышки. При этом максимальная дальность обнаружения Рицей нефтяной платформы «Шашин» в Баренцевом море составила 265 миль (по ДС). Первоначально, обнаруженные от целей ДС, выводились на экран в виде упорядоченного списка. Позднее мы отказались от этого вида выводимой информации, т.к. операторы не могли работать с ней из-за её большого объёма и малой информативности. Списки были заменены информационной свёрткой по ДС: I(i)= Wi,jlog(2дс/2мед) (i=1..3-количество классов, j- количество ДС в классе). Цели i заданного класса ПЛА СССР, ПЛА США и ТРАНСПОРТ. В этом режиме на экран оператору выводился не список ДС по пеленгу, а индикаторная функция I(i) по автоматически обнаруженным ДС, с максимумом, соответствующим направлению на цель и одновременной индикацией класса цели. Решение по обнаружению принималось по совпадению максимумов информационных функций по шуму и по ДС. Одновременно с обнаружением можно было принимать решение по классу цели на основе максимального значения свёртки по ДС. Максимум информационной функции по ДС, как правило, говорил об обнаружении цели и её класс. Т.о., впервые на флоте, в Рице удалось решить проблему автоматической классификации цели одновременно с её обнаружением, на дистанции, когда классификация на слух ещё невозможна. Гидроакустики быстро привыкли к отображению такой информации. Её уровень отображался вертикальной линией, пропорциональной численному количеству накопленной информации в битах (мера измерения информации), которое в виде числа отображалось рядом. Так и докладывали в ЦП, что обнаружена цель по пеленгу такому-то, с интенсивностью в столько-то «ебит». Матросы не очень хорошо понимали термин «биты», да и звучал он в центральном посту как-то не внятно. Плюс флотский юмор. В ЦП всё время со смехом переспрашивали, чего, чего? Сколько, говоришь ебит? А как скажут, столько-то «ебит», то больше ни каких вопросов ЦП не задавал. Наверное, подобный термин смог возникнуть и прижиться только у наших подводников.
Возвращаясь к ДС у современных ПЛ. Это глупость, если говорят, что, яко бы, у современных лодок нет ДС. Они, в той или иной степени, присутствуют у всех подводных лодок, на всех режимах движения. Только надо знать соответствующие частотные диапазоны. Но алгоритмы и технологии выявления ДС я рассказывать не буду. Есть не малая заслуга разведки штаба Северного флота по их грамотному выявлению и использованию. Подобные алгоритмы применялись нашими РЗК, оснащёнными Рицами, у берегов США. Разведку у берегов США, в период с 1989 по 1991 г., в полигонах БП американских подводных лодок, организовал начальник радиоразведки СФ капитан I ранга Бодриков. Полученные данные были обработаны специальным ПО и в виде соответствующей базы заложены в память приставок Рица, что в дальнейшем, позволило командирам наших ПЛ повысить их эффективность по обнаружению американских ПЛ. Даже я сначала не поверил, когда командир дизельной лодки А.Ушаков рассказал, что он следил с помощью Рицы за американской АПЛ трое суток. А на третьи сутки вышел с ней на гидроакустический контакт ГАК в дистанции 7 кбт. За это слежение он был награждён орденом.
16 июня 2011, года за организацию работ на Северном флоте по теме Рица, в период с 1981 г. по 1991 г., мне присвоили звание почётного члена Академии военных наук МО РФ. Как говорится, награда, хоть и с трудом, всё-таки, нашла своего героя.
Январь 2012 г.
Резюмировал Буковский Ю.В. –один из авторов Рицы.
