CC BY
82
сти осуществлялось с помощью системы GPS. Обработка принятых сигналов осуществлялась непосредственно после накопления массива данных на жестком диске
.
На рисунке 6 представлена картина морского дна в месте затопления п/х Адмирал Нахимов», снятая в процессе испытаний системы ЦФ и ПВО эхосигна-лов и построенная с помощью разработанной программы визуализации.
Результаты проведенных лабораторных и натурных испытаний разработанного эхолота подтвердили целесообразность разработки современного МЛЭ авиационного базирования и эффективность его использования в перспективном комплексе проведения поисково-спасательных работ.
Рис. 6. п/х «Адмирал Нахимов»
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Маркович И.И., Соколенка В А. Экспериментальные исследования алгоритмов цифровой обработки гидроакустических сигналов в многолучевых эхолотах. Материалы междун. научной конф. "Динамика процессов в природе, обществе и технике: информацииопные аспекты" - ч.3 - Таганрог: ТРТУ, 2003.
2. Маркович ИМ., Бугаев С.А., Чуйков В. М., Шелестенко ЕМ., Жирнов В.С., Семенов А.В. Система цифрового формирования и пространственно-временной обработки сигналов в многолучевом эхолоте. Искусственный интеллект. Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2004// Мат. Междун. научн.конф.т.2. Таганрог: ТРТУ, 2004.
3. . ., . ., . ., . .
многолучевого эхолота с цифровой пространственно-цифровой обработкой. Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2005// Мат. Междун. научн. конф.т.3. Таганрог: ТРТУ, 2005.
УДК 881.787:534.2
ЮТ. Антонов, СВ. Г рачев, Д.О. Москалец, В.Н. Ушаков
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), г. Санкт- Петербург
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙСПЕКТРОМЕТР-
ФАЗОМЕТР
В Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете (ЛЭТИ) разработан автоматизированный акустооптический спектрометр-ф^ометр предназначенный для приема, обнаружения и определения параметров сложных широкополосных радиосигналов в УВЧ-СВЧ диапазонах. Кроме того, устройство
позволяет осуществить пеленгацию или локализацию источника радиосигнала в пространстве. Структурная схема спектрометра-ф^ометра представлена на рис. 1.
Рис.1. Структурная схема автоматизированного акустооптического спектрометра-фазометра
Радиосигналы, принимаемые антенной системой, усиливаются, переносятся по частоте в рабочую полосу акустооптического процессора (АОП) и поступают на . -ной частоты на световом носителе и формирует на своём выходе видеосигналы, несущие информацию о центральной частоте, полосе и пеленге радиосигнала. Сигналы с выхода АОП преобразуются в цифровую форму и поступают в устройство цифровой обработки сигналов (УЦОС). УЦОС представляет собой специализированную плату цифровой обработки сигналов на основе процессоров ADSP-TS101S TigerSHARC фирмы “Analog Devices”.yU,OC осуществляет обнаружение сигналов, определение их параметров (амплитуды, центральной частоты, ширины спектра, ), -сывает в базу параметры неизвестных сигналов. Кроме того, устройство управляет режимами работы АОП и радиочастотного блока предварительной обработки радиосигналов. Длительность полного цикла обработки диапазона в 500 МГ ц, разделенного на 1500 частотных каналов, составляет 500 мкс. Информация об обнаруженных сигналах отображается на экране ПЭВМ типа ноутбук, предназначенной для обеспечения работы оператора.
Основой спектрометра-ф^ометра является акустооптический процессор, разработанный по схеме двухканального акустооптического интерферометра Юнга [1, 2]. Пространственная обработка, характерная для акустооптических устройств, позволяет сравнительно просто реализовывать многоканальные измерительные устройства в малом объеме. Число каналов измерителя с акустооптическим разделением каналов может достигать нескольких сотен и определяется числом элементов разрешения по частоте акустических модуляторов света, используемых для ввода электрического сигнала в оптическую систему. С точки зрения максимизации числа каналов измерения весьма привлекательным представляется акустооптический интерферометр с поверхностным возбуждением звука, у которого число
независимых каналов измерения частоты может достигать двух тысяч. Двухканальный акустооптический модулятор (АОМ) с поверхностным возбуждением звука, являющийся основой этого устройства, не уступает по эффективности дифракции модуляторам с резонансными пьезопреобразователями, технологичен, а по широкополосности значительно их превосходит. На рис. 2 приведена амплитудночастотная характеристика используемого в макете АОМ с подключенными к нему . -стоящее время широко используются фоточувствительные приборы с зарядовой связью. Для акустооптического интерферометра требуется двухмерный фотоприемник - матрица приборов с зарядовой связью (МПЗС). Матричный ПЗС-фотоприемник обладает рядом достоинств по сравнению с любыми другими фотоприемниками. Во-первых, он позволяет осуществить некогерентное накопление сигнала в каждом канале и за счет этого достичь высокой чувствительности. Во, -нала при априорной неопределенности времени его прихода. В-третьих, МПЗС обладают большой информационной емкостью, что позволяет реализовать возможности АОМ с поверхностные возбуждением звука по частотному разрешению. В свою очередь, большое число каналов позволяет достичь высокой точности измерений, которая отчасти компенсирует проигрыш в чувствительности из-за превышения времени накопления над длительностью сигнала. И, в-четвертых, МПЗС , , -венную обработку выходного сигнала в каждом канале по сравнительно простому алгоритму. Следует отметить, что организация считывания выходного сигнала МПЗС очень удобна для ввода последнего в ЭВМ, без помощи которой вообще немыслима работа измерителя, имеющего несколько сотен каналов измерения. ,
звука в комплексе с полноформатной МПЗС и ЭВМ обладает большими возможностями для обработки сигналов при неполных априорных данных.
и 1.« 11 1І5 1» 1К 17 1.75 И 1« I* £ ГГц
Рис.2. Амплитудно-частотная характерстика по свету АОМ
Упрощенная структурная схема акустооптического интерферометра с поверхностным возбуждением звука приводится на рис. 3. Рассмотрим алгоритм измерения разности фаз двух гармонических сигналов одной и той же частоты, поступающих на входы АОМ I и 2, где они преобразуются в бегущие в направлении оси X параллельные акустические пучки. Когерентный световой пучок 3 дифрагирует на каждом из акустических пучков и трансформируется сферической линзой 4. В плоскости пространственных частот в области первого дифракционного по-
рядка создается интерференционное распределение света 5, обусловленное взаимодействием световых пучков от первого и второго каналов АОМ. Интерференционные максимумы и минимумы чередуются в направлении оси 7] с пер иодом, определяемым базой интерферометра 4 фаза интерференционного распределения определяется разностью начальных фаз входных сигналов. Вдоль оси пространственных частот £ распределение света описывается суммой пространственных мгновенных спектров входных сигналов, заключенных в апертуре АОМ 6, положение максимума распределения определяется частотой входных сигналов. Для считывания светового распределения служит МПЗС 7, столбцы которой ориентированы вдоль оси 1), причем масштаб светового распределения выбран таким об,
элемента матрицы. Вдоль оси £ размер элемента соизмерим с шириной светового распределения в этом направлении. При изменении частоты входных сигналов интерференционное распределение света перемещается вдоль оси пространственных частот £, переходя с одного столбца МПЗС на другой. Каждый столбец фактически эквивалентен одному частотно-обособленному каналу с полосой, определяемой величиной временной апертуры АОМ.
Рис.3. Структурная схема акустооптического интерферометра с поверхностным возбуждением звука
Алгоритм обработки двухмерного светового распределения на фотоприемнике описан в [3]. После детектирования оптического сигнала в каждом канале осуществляется обнаружение сигнала. Для этого в суммарном секторе производится сложение зарядов элементов каждого столбца и сравнение результата (^, с порогом. Квадратурные сигналы, необходимые для вычисления разности фаз, образуются путем суммирования выходных сигналов элементов столбца МПЗС со знаками, повторяющими знаки синуса (03) и косинуса (Ос). Тогда разность фаз в каналах АОМ А^ определяется еле дующей формулой:
А^ = аг^
Ь20С Ь3&
Коэффициенты Ьь Ь2, и Ь3 связаны с параметрами оптической системы устройства и определяются при калибровке.
Для определения несущей частоты (а также и ширины спектра) можно использовать стандартные амплитудные алгоритмы поиска центров тяжести локальных максимумов распределения интенсивности интерференционной картины вдоль час-
тотной координаты. Точность измерения параметров спектра радиосигнала определяются аппаратной функцией АОП (реакцией устройства на гармонический сигнал). На рис. 4 приведены экспериментально измеренные аппаратная функция и реакция АОП при воздействии на него двух гармонических сигналов разных частот.
Рис.4. Аппаратная функция (а) и реакция на два гармонических сигнала, разнесенных по частоте на 1,4 МГц (б), акустооптического спектрометра
фазометра
Такое высокое разрешение по частоте было достигнуто несмотря на то, что в макете использовался полупроводниковый лазер, когерентность излучения которого значительно уступает газовым лазерам.
Разработанный акустооптический процессор имеет следующие технические характеристики:
1,5____2 ГГц
500 МГц 300 КГц 1 МГц 1 МКС 30 дБ 100 _ 10
20
♦ рабочий диапазон частот
♦
♦
♦
♦
♦
♦
♦
в диапазоне углов ±180°
♦ размеры акустооптического процессора 200x120x50 мм.
Таким образом, акустооптическая обработка имеет преимущество перед цифровой в полосе частот обрабатываемых сигналов и скорости обработки больших
, -менения оптической схемы при смене алгоритма обработки. Однако использование акустооптических процессоров совместно с цифровыми может обеспечить как требуемые скорость обработки больших объемов информации, так и гибкость обра-.
уменьшение информационного потока вплоть до порогового анализа с выделением
необходимых параметров обрабатываемых сигналов. Акустооптические процессоры могут производить спектральный анализ и пеленгацию в полосе частот не менее 500 МГц, с частотным разрешением 1 МГц и динамическим диапазоном
30...40 дБ. Актуальной является задача повышения динамического диапазона до
60...80 дБ, что в сочетании с цифровой техникой делает эту группу устройств весьма перспективной для дальнейших исследований и разработок.
Авторы выражают благодарность доценту кафедры телевидения С. Пб ТЭТУ Манцветову АЛ. и ассистенту этой же кафедры Д.С. Плохих за разработку фото.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Боков Л А., Краковский В А. Акустооптический интерфер ометр с поверхностным возбуждением звука // Радиотехника и электроника 1987. №8. С. 1726-1731.
2. Егор ов ЮМ., Дмитриев Ю.С., Дернов В.М., Грачев С. В., Одинцов AM., Круглов И А., Федоров Б.В. Автоматизированный акустооптический спектрометр-фюометр с цифро//
обработки информации. - J1.: 1989. С. 73-77.
3. . . -
вестной частоты // Радиоэлектроника. 1989. Т. 32. № 5. С. 80-85.
УДК 681.51:007.52:631.324
В.П. Носков, А.В. Носков
НИИ СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва e-mail: [email protected]
СВЕТОЛОКАЦИОННАЯ СТЗ В СИСТЕМЕ НАВИГАЦИИ АВТОНОМНЫХ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Одной из центральных задач при решении комплексной проблемы автовождения является задача определения текущего положения мобильного робототехнического комплекса (МРК). На первый взгляд навигационная задача может быть успешно решена с помощью средств глобальной спутниковой навигации (GPS), позволяющих определять широту и долготу GPS-приемника с приемлемой точностью (несколько метров - в обычном режиме, а в дифференциальном режиме -несколько дециметров). Однако данные средства работают не достаточно надежно в условиях пересеченной местности и в городе, а в индустриальной среде и, особенно, в помещениях отмеченный недостаток проявляется практически постоянно.
, -личных средств противодействия и, следовательно, могут быть выведены из строя или стать недоступны потребителям. Поэтому решение навигационной задачи с помощью бортовых средств актуально, как для промышленных, так и для специальных МРК, ориентированных на функционирования в различных средах.
Наиболее просто текущие координаты с помощью только бортовых средств могут быть определены путем решения прямой кинематической задачи по показаниям одометрических датчиков в процессе движения. Но для этого требуется постоянный контакт (без пробуксовки и отрыва) колес с опорной поверхностью, что далеко не всегда возможно даже для индустриальной среды. Неконтролируемые сдвиги и вращения корпуса МРК приводят к возникновению ошибки в определении текущего положения. Особенно критична ошибка определения курсового угла,
