CC BY
143
Сенсорные системы, датчики и задачи навигации
УДК 681.883(038)
И.И. Маркович
Научно-конструкторское бюро цифровой обработки сигналов ТРТУ
МНОГОКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЦИФРОВОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОВРЕМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
ПЕРСПЕКТИВНОГО КОМПЛЕКСА ПРОВЕДЕНИЯ ПОИСКОВОСПАСАТЕЛЬНЫХ РАБОТ
Ежегодное количество морских катастроф, к сожалению, не имеет тенденции к сокращению и, несмотря на принятие мер по совершенствованию технических средств предотвращения аварийных ситуаций, их количество остается достаточно большим. Кроме того, объекты различного происхождения, находящиеся на поверхности дна и замытые в грунт, продолжают представлять опасность, как для мореплавания, так и для экологии морских бассейнов. Имеющиеся случаи аварийных ситуаций на море, техногенных катастроф и нарастание угрозы проведения террористических актов требуют существенного повышения эффективности проведения поисковых и спасательных работ в морских условиях.
При этом необходима оперативность проведения поисково-спасательных работ, т.е. одним из основных критериев эффективности этих работ является время прибытия в предполагаемый регион поиска.
Поэтому использование авиационных носителей можно считать наиболее перспективным при решении задач доставки гидроакустических средств к месту .
базирования для проведения поисково-спасательных работ сегодня нет как в нашей , .
Задача высокопроизводительного поиска и обнаружения терпящих бедствие или затонувших объектов, находящихся на поверхности дна или заиленных в
, -спасательных работ и в значительной мере определяется техническими возможностями гидроакустических средств.
В настоящее время поиск и обнаружение аварийных подводных объектов производится обычно с помощью корабельных гидроакустических станций, пред, ( ).
Их основными недостатками являются:
♦ принципиальная невозможность проведения высокоточных исследований при сложном рельефе дна, так как ГБО может скомпенсировать наклон дна только при его известном законе. Обычно предполагается, что дно плоское;
♦ принципиальная невозможность пр оводить исследования непосредственно под носителем, что требует применения дополнительного промерного эхолота и специальной тактики использования;
♦ обычно ГБО используется в буксируемом варианте, что приводит к большим углам падения и, как следствие, к образованию значительной зоны тени.
Эффективность проведения поисково-спасательных работ можно существенно повысить, используя многолучевые эхолоты (МЛЭ), которые обладают более высокой точностью оценки параметров в расширенной полосе обзора, а значит и более высокой производительностью выполнения поисковых работ. Это служит решающим фактором при выборе гидроакустических средств, несмотря на его относительную сложность из-за повышенных требований к антенной системе и системе обработки эхо-сигналов.
Основными преимуществами МЛЭ являются:
♦ принципиальная независимость метода пространственно-временной обработки при картографировании донной поверхности от рельефа дна;
♦ пространственная селекция в ве ртикальной траверзной плоскости, увеличивающая соотношение сигнал/шум, а значит и точность измерений;
♦ возможность построения трехмерных изображений рельефа дна, изобат и т.д.;
♦ возможность выполнения высокопроизводительных исследований в широком секторе без "мертвой зоны" под носителем и без применения дополнительных гидроакустических устройств;
♦ многофункциональность МЛЭ: возможность работы в режимах обычного ГБО, фазового ГБО и промерного (навигационного) эхолота;
♦ МЛЭ, как правило, используется во "врезном" варианте, что приводит при одинаковых рабочих глубинах к меньшим углам падения, а, значит, и меньшей зоне тени.
Применение в современных эхолотах цифровой обработки сигналов дает дополнительную возможность перепрограммирования их основных параметров, формирования банка зондирующих простых и сложных сигналов и организации оптимальной обработки со сжатием эхо-сигналов и повышением соотношения сиг/ . -лов с большой базой:
♦ или увеличить длительность зондирующих сигналов (энергетическую
),
исследований при имеющемся высоком разрешении;
♦ или при заданной дальности (даительности, энергии зондирующего сиг-
) -лов точность выполнения картографических исследований.
Относительная сложность антенной системы, алгоритмического, программного и аппаратного обеспечений системы цифрового формирования и обработки сигналов сегодня успешно преодолевается разработчиками, знающими перспективные методы и алгоритмы цифровой обработки сигналов, архитектуру современных сверхбыстродействующих сигнальных процессоров и последние достижения микроэлектронной техники.
За рубежом для решения задач мониторинга и высокопроизводительного поиска аварийных объектов широко используются МЛЭ корабельного базирования, разработкой и изготовлением которых активно занимаются известные зарубежные фирмы, такие как, Kongsberg Simrad A/S (Норвегия), Sea Beam Instruments, Inc (США), Reason Inc. (США), GEC-Marconi Naval Systems (Англия).
В таблице 1 приведены основные параметры некоторых широко распространённых мелководных МЛЭ зарубежных фирм.
i
Изготовитель Kongsberg Simrad A/S RESON A/S STN Atlas Marine Electronics L-З Communications ELAK Nautik
Изделие EM 3000 SeaBat Siii Atlas Hydro-sweep MD-2/50 Bottom Compact
Рабочая частота, кГц 300 iGG iGG 40-iSG
Сектор обзора, градус ІЗ0 i5G i60 i5G
Ширина луча, градус i,5 x i,5 i,5 x i,5 зависит от полосы и числа лучей i,4 x i,5
Диапазон рабочих , L..250 i.iGGG L..600 0,5.4000
( ), (при рабочей глубине, м) 0,05 (З0) 0,05 (20) G,i+G,2% от глубины 0,05 (iG)
В связи с отсутствием в России законченных разработок и промышленно выпускаемых МЛЭ после соответствующей оптимизации методов и алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов, учитывающей особенности их авиа-, , и испытаний для решения поставленных задач может быть использован модерни, , -го в НКБ ЦОС ТРТУ.
Структурная схема системы цифрового формирования и пространственновременной обработки (ЦФ и ПВО) гидроакустических сигналов многолучевого эхолота представлена на рисунке 1.
Блок цифрового формирования и обработки
Рис.1. Структурная схема системы ЦФ и ПВО сигналов многолучевого эхолота
В многолучевом эхолоте используется цифровое формирование зондирующих сигналов, цифровое формирование и управление диаграммой направленности ( ) , цифровое формирование статического веера ДН приёмной антенны в вертикальной плоскости в поперечном направлении.
Основные технические характеристики многолучевого эхолота:
♦ несущая частота зондирующих импульсов - 75 кГц;
♦ ширина ДН излучающей антенны в вертикальной плоскости: в продольном направлении - 2,1°, в поперечном - 100°;
♦ диапазон сканирования максимума ДН сформированного луча излучающей антенны для компенсации угла дифферента корабля при качке - ±5°
1,0°;
♦ сектор обзора - ± 52°;
♦ - 101;
♦ ширина ДН сформирован ного луча приемной антенны: без весовой обработки - (2,1+3,6)°, с весовой обработкой - (3,17+5,4)°;
♦ диапазон глубин - до 400 м.
Обработка заключается в формировании и 10 канальном усилении сложных
,
эхосигналов, 48-канадьном аналого-цифровом преобразовании и формировании комплексных огибающих принятого сигнала, выполнении в каждом канале процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) по времени, весовой обработке и выполнении БПФ по пространству. Далее в каждом угловом канале спектр полученного сигнала умножался на комплексно-сопряженный спектр зондирующего сиг,
огибающей выходного сигнала многолучевого эхолота.
Укрупненная структурная схема алгоритмов обработки сигналов в системе для реализации амплитудного метода определения координат представлена на рисунке 2.
48
Рис.2. Укрупненная структурная схема алгоритма обработки сигналов в системе
Для повышения точности определения пространственной координаты 0 может быть реализован фазовый метод. В этом случае в блоках пространственной обработки дополнительно выполняется процедура пространственного БПФ для сигналов левой и правой половин антенной решетки и взаимная обработка полученных сигналов в блоке логической обработки.
Экспериментальные исследования программных моделей алгоритмов пространственно-временной обработки проводились над ЛЧМ сигналом и радиоимпульсом. В работе [1] приводятся результаты моделирования. Приведем один рисунок, подтверждающий эффективность выделения ЛЧМ сигнала с базой В = 100 из шума в системе пространственно-временной обработки. На вход системы (рис.3) подавалась
смесь ЛЧМ сигнала с шумом (отношение сигнал/^м=1). На рисунке 4 показан выходной сигнал, где по оси X расположены пространственные каналы, по оси У - расстояние до источника сигнала, а по оси Ъ - амплитуда сигнала.
Рис.3. Входной сигнал системы Рис.4. Выходной сигнал системы
Расчеты показали, что для реализации амплитудного метода необходима производительность оборудования равная 50 МБІорє, а для реализации фазового метода - 60 МБІорє.
Основные характеристики и параметры системы цифрового формирования и пространственно-временной обработки сигналов многолучевого эхолота, разработанной и изготовленной в НКБ ЦОС ТРТУ, приведены в [2,3,4]. Внешний вид блока усилителей мощности и блока предварительного усиления и АЦП системы ЦФ и ПВО представлен на рисунке 5.
Рис. 5. Внешний вид блока усилителей мощности и блока предварительного
усиления и АЦП
Для качественной оценки эффективности использования разработанной аппаратуры для картографирования морского дна и поиска затонувших кораблей были произведены натурные испытания. Был произведен съем участков дна с плавно и резко изменяющимися глубинами и произведен поиск судна Адмирал Нахимов», затонувшего в ночь с 31 августа на G1 сентября 1986 г.
Испытания проводились в Цемесской бухте Черного моря на малом гидрографическом катере при волнении моря до 1,6 баллов.
В состав аппаратуры многолучевого эхолота, принимающей участие в испытаниях, была включена автономная навигационная GPS система (приемник - In-victa 21G DGPS/Beacon, антенна - MBA-2 GPS/Beacon).
Приемно-излучающая антенная система крепилась на носу гидрографического катера и заглублялась на 1,5 м. Измерение местоположения судна и его скоро-
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.б. 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. . ., . ., . ., . ., . ., . . 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. Маркович ИМ., Бугаев С.А., Жирнов В.С., Шелестенко ЕМ. Визуализация эхосигналов многолучевого эхолота с цифровой пространственно-цифровой обработкой. Интеллектуальные и многопроцессорные системы-2005// Мат. Междун. научн. конф.т.3. Таган: , 2005.
УДК 881.787:534.2 ЮТ. Антонов, С.В. Г рачев, Д.О. Москалец, В.Н. Ушаков
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет (ЛЭТИ), г. Санкт- Петербург
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙСПЕКТРОМЕТР-
ФАЗОМЕТР
-
(ЛЭТИ) разработан автоматизированный акустооптический спектрометр-ф^ометр предназначенный для приема, обнаружения и определения параметров сложных широкополосных радиосигналов в УВЧ-СВЧ диапазонах. Кроме того, устройство
