CC BY
52РАДИОЛОКАЦИЯ
СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ ЗОНДИРУЮЩИЕ СИГНАЛЫ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Скнаря А.В., Разин А.А., Тощов С.А., Демидов А.И.
НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова, https://niip.ru г. Жуковский 140180, Московская область, Российская Федерация Поступила 24.08.2018
Представлена действительным членом РАЕН В.В. Колесовым
Представлены результаты сравнения натурных испытаний активных гидроакустических систем - гидролокаторов с узкополосным и сверхширокополосным (СШП) зондирующими сигналами с линейной частотной модуляцией импульсов. Показано, что использование СШПС с большой базой позволяет разрешить множественные эхо-сигналы от цели во временной области, а широкая рабочая полоса частот позволяет проводить эффективный спектральный анализ принятого сигнала. Показано принципиальное отличие взаимно-корреляционных функций эхо-сигналов для случаев узкополосного и СШП зондирования. Представлены спектральные портреты целей, различных по форме и материалам, полученные с применением СШПС. Зондирование целей СШП сигналом показало более высокую степень контрастности и четкости акустических изображений в сравнении с использованием узкополосного сигнала. Таким образом показано, что СШП сигналы могут быть использованы при решении задач распознавания и классификации подводных объектов в сложных условиях.
Ключевые слова: сверхширокополосные сигналы, гидролокатор, классификация целей УДК 621.396.96_
Содержание
1. Введение (209)
2. Материалы и методы (209)
3. результаты (210)
4. обсуждение (211)
5. заключение (211) Литература (212)
1. ВВЕДЕНИЕ
Современные требования к техническим характеристикам гидроакустических систем, решающих задачу классификации различных подводных объектов, вынуждают разработчиков проводить поиск новых методов и сигналов для решения данной задачи.
Первые гидролокаторы использовали в качестве зондирующего сигнала короткую тональную посылку. На рубеже 70-х-80-х годов ХХ века, когда особенно остро встал вопрос об улучшении параметров гидролокаторов, произошел революционный переход к использованию в качестве зондирующих сигналов сложных узкополосных сигналов, например, ЛЧМ сигналов. Следует отметить, что подобный переход в радиолокации произошел существенно раньше — в конце 50-х годов ХХ века. Применение сложных узкополосных зондирующих сигналов в активных гидроакустических системах (ГАС) способствовало разработке гидролокаторов с высокими техническими характеристиками,
что позволило решать большинство задач на протяжении ряда десятилетий.
Однако в настоящее время назрела необходимость дальнейшего совершенствования активных ГАС. Применение узкополосных зондирующих сигналов позволило при сохранении высокой разрешающей способности по дальности увеличить дальность действия гидролокаторов в 2-3 раза [1]. Однако в данном случае дальнейшее увеличение дальности работы ГАС за счет использования узкополосных сложных сигналов для обеспечения высокой разрешающей способности по дальности не представляется возможным из-за большого затухания акустических колебаний на высоких частотах [2]. Кроме того, основной объем работ в настоящее время ведется в прибрежной зоне в условиях мелкой воды. В этих условиях на первое место выдвигаются такие параметры гидролокаторов, как помехоустойчивость и возможность работы в условиях многолучевости.
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
На современном этапе развития гидролокации эффективное обнаружение объектов в толще воды возможно только с использованием активных гидролокаторов. Появление новых технологий, которые позволили существенно уменьшить собственные шумы целей и их размеры, значительно затрудняет обнаружение целей в пассивном режиме локации. Примером может служить появление автономных необитаемых подводных аппаратов.
Остро встает вопрос не только обнаружения целей на требуемой дальности в сложных условиях, но и их классификации. При применении узкополосных зондирующих сигналов классификация целей производится либо по акустическому изображению (например, цели, лежащие на поверхности дна), либо по траекторным измерениям для движущихся целей. В первом случае необходимо получение высококачественного контрастного акустического изображения с высоким разрешением на фоне подстилающей поверхности, что является достаточно сложной и не всегда решаемой задачей, особенно для впередсмотрящих систем.
Одним из путей решения указанных выше проблем является использование в качестве зондирующих сигналов в активных ГАС сверхширокополосных сигналов (СШПС) [3]. Подобные работы в последние годы активно ведутся за рубежом [4, 5].
Использование низкочастотного диапазона рабочих частот с существенно более широкой относительно узкополосных сложных сигналов полосой частот позволяет более эффективно решить задачу "дальность-разрешение" [6]. В тоже время использование более широкой полосы частот зондирующего сигнала повышает помехоустойчивость активных ГАС и позволяет работать в условиях многолучевости. 3. РЕЗУЛЬТАТЫ
В НИИП им. В.В. Тихомирова на протяжении нескольких лет проводится систематическая работа по исследованию применения СШПС в гидролокации. Теоретические исследования относятся к области разработки алгоритмов формирования СШПС, их обработки и влияния на их свойства среды распространения. На уровне инженерных решений ведется разработка трактов приема, излучения и всего гидролокатора в целом. За последние годы были разработаны несколько макетов гидролокаторов с СТТТП зондирующими сигналами и проведены их натурные испытания. Полученные при этом результаты подтвердили не только возможность, но и перспективность использования данных сигналов в активных гидролокаторах, в том числе и для решения задачи "дальность-разрешение" [7, 8].
В качестве примера, на рис. 1 и рис. 2 приведены акустические изображения одного и того же участка дна, полученные во время совместных испытаний на Ладожском озере гидролокатора бокового обзора (ГБО) серии "Неман" - ГБОЭ-250 и макета ГБО с СШП зондирующим сигналом. В гидролокаторах в качестве зондирующего сигнала использовался ЛЧМ сигнал со следующими параметрами: ГБО "Неман" — длительность сигнала 6 мс, девиация частоты — 24 кГц, нижняя частота — 236 кГц;
Рис. 1. Акустическое изображение цилиндрического объекта, лежащего на поверхности дна, полученное с помощью ГБО "Неман" ГБОЭ-250.
макет ГБО с СШПС — длительность сигнала 2 мс, девиация частоты — 78 кГц, нижняя частота — 78 кГц. В процессе проведения эксперимента приемо-передающие антенны гидролокаторов располагались на одной штанге, которая крепилась к борту судна. Работа гидролокаторов проводилась одновременно. При этом судно-носитель двигалось слева снизу-вверх (см. рис. 1, и рис. 2). В качестве цели использовался металлический цилиндр, к которому был прикреплен металлический трос диаметром 11 мм, который заканчивался буем.
Существенным преимуществом СШП зондирующего сигнала является возможность использования высокой информативности эхо-сигнала при решении задачи классификации целей. При обработке СШП сигналов возможно формирование временного и спектрального портретов цели. Использование СШП сигналов с большой базой позволяет разрешить множественные эхо-сигналы от цели во временной области, а широкая рабочая полоса частот позволяет проводить эффективный спектральный анализ принятого сигнала.
На рис. 3 и рис. 4 показаны взаимно-корреляционные функции (ВКФ) эхо-сигнала, отраженного от сплошной стальной сферы диаметром 100 мм для случая узкополосного
Рис. 2. Акустическое изображение цилиндрического объекта, лежащего на поверхности дна, полученное с помощью макета ГБО с СШПС.
РАДИОЛОКАЦИЯ
сверхширокополосные зондирующие211
сигналы в гидроакустических системах
Таблица 1.
Набор целей и их основные характеристики
1 1 1 1
1
' К«,.,.........- -j 1—- ---------J
Рис. 4. ВКФ эхо-сигнала, отраженного от сплошной стальной сферы диаметром 100 мм для случая СШП ЛЧМ сигнала.
Рис. 3. ВКФ эхо-сигнала, отраженного от сплошной стальной сферы диаметром 100 мм для случая узкополосного ЛЧМ сигнала.
ЛЧМ сигнала (115-125 кГц), и ВКФ эхо-сигнала также отраженного от той же сферы для СШП ЛЧМ сигнала (78-142 кГц). По оси абсцисс отложено время в мс. Масштаб по оси абсцисс для всех графиков одинаков. В начале оси абсцисс показаны ВКФ излучаемых сигналов.
Рисунки 3 и 4 показывают принципиальное различие ВКФ узкополосного эхо-сигнала и ВКФ СШП эхо-сигнала: на рис. 4 ВКФ эхо-сигнала от цели имеет характерную протяженную структуру из нескольких максимумов, на рис. 3 - ВКФ узкополосного сигнала представляет собой огибающую плавного контура с одним максимумом.
В Таблице 1 представлены характеристики некоторых целей, использовавшихся во время проведения одного из натурных экспериментов.
В Таблице 2 представлены фотографии целей, их спектральные портреты (А) и ВКФ (Б). По оси X на графиках А отложена частота (в отсчетах), по оси У - нормированная спектральная плотность. По оси X на графиках Б отложено время (в с), по оси У — амплитуда ВКФ (в отсчетах). Данные получены с применением СШП ЛЧМ сигнала с параметрами, указанными выше. 4. ОБСУЖДЕНИЕ
Из сравнения акустических изображений, приведенных на рисунках 1 и 2, следует, что акустическое изображение, полученное с помощью макета ГБО с СШП зондирующим сигналом, отличается существенно лучшей контрастностью и четкостью. Особенно следует отметить, что на рис. 2 четко виден трос, а на рис. 1 трос не обнаружен.
Приведенные в таблице 2 графики показывают отличие ВКФ и спектральных портретов для различных по форме и изготовленных из разных материалов целей, что может быть использовано
№ Форма Габаритные размеры, мм Материал Тип
1 сфера 0 105 сталь сплошная
2 сфера 0 100 пенопласт сплошная
3 цилиндр 0 57,1=255 сталь сплошной
4 труба 0 110, 1=500 ПВХ полая
для классификации целей, в том числе и в автоматическом режиме без участия оператора. Что касается природы формирования временного портрета, то она может быть достаточно сложной. Временной портрет может формироваться как за счет пространственной протяженности цели, так и, например, за счет возбуждения в цели различных типов волн, что приводит к образованию вторичных эхо-сигналов с отличающимися временными задержками [9].
Все это говорит об эффективности использования сверхширокополосных
зондирующих сигналов в активных ГАС по сравнению с узкополосными сигналами.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, приведенные результаты показывают возможность получения высокой разрешающей способности на низких частотах и дополнительных классификационных признаков при использовании СШП сигналов в активных гидроакустических системах. Указанные свойства
Таблица 2
Портреты целей
Таблица 1 - Портреты целей
Фотография
Портрет
2
3
4
СШП сигналов могут быть использованы при
решении задачи распознавания и классификации
подводных объектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Демидов АИ, Комочков РШ, Мосолов СС, Скнаря АВ, Тутынин ЕВ. Отечественные гидролокаторы со сложными сигналами производства НИИ Приборостроения им. В.В. Тихомирова. Труды Х Всеросс. конф. "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики", Санкт-Петербург, 2010, с. 152-154.
2. Евтютов АП, Ляликов АП, Колесников АЕ, Корепин ЕА. Справочник по гидроакустике. Ленинград: Судостроение, 1988, 552 с.
3. Астанин ЛЮ, Костылев АА. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М., Радио и Связь, 1989, 192 с.
4. Lew H. Broadband Active Sonar: Implications and Constraints. Technical Report No. DSTO-TR-0435, Melbourne, Australia, 1996.
5. Capus C, Pailhas Y, Brown K, Evans J. Underwater detection, classification and tracking using wideband sonar. Proc. 3rd International Conference and Exhibition on Underwater Acoustic Measurements, Nafplio, Greece, 2009.
6. Залогин НН, Скнаря АВ. Выбор зондирующего сигнала для гидролокатора. Труды 13 межд. конф. "Радиолокация, навигация, связь", Воронеж, 2007, с. 2722-2730.
7. Демидов АИ, Комочков РШ, Скнаря АВ, Тощов СА. О перспективах использования в гидролокации сверхширокополосных зондирующих сигналов. Известия ЮФА, 2013, 9:90-96.
8. Скнаря АВ, Тощов СА. К вопросу о преимуществе использования сверхширокополосных сигналов при решении задачи распознавания целей в гидролокации. Труды IV всеросс. научн. конф. "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике", Муром, 2013, с. 66-69.
9. Шендеров ЕЛ. Излучение и рассеяние звука. Л., Судостроение, 1989, 304 с.
Скнаря Анатолий Васильевич
к.т.н, с.н.с.
НИИП им. В.В. Тихомирова Жуковский 140180, Моск. обл., Россия [email protected] Разин Анатолий Анатольевич
к.т.н, с.н.с.
НИИП им. В.В. Тихомирова Жуковский 140180, Моск. обл., Россия [email protected] Тощов Сергей Алексеевич
инженер
НИИП им. В.В. Тихомирова Жуковский 140180, Моск. обл., Россия [email protected] Демидов Алексей Игоревич начальник лаборатории НИИП им. В.В. Тихомирова Жуковский 140180, Моск. обл., Россия [email protected]
ULTRA WIDEBAND SOUNDING SIGNALS IN HYDROACOUSTIC SYSTEMS
Anatoly V. Sknarya, Anatoly A. Razin, Sergey A. Toshchov, Aleksey I. Demidov
JSC V.V. Tikhomirov Scientific Research Institute of Instrument Design, https://niip.ru Zhukovsky 140180, Moscow Region, Russian Federation
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected] Abstract. Results of comparison of full-scale tests of active sonar systems - sonars with narrowband and ultra wideband (UWB) sounding signals with linear frequency modulation of pulses are presented. It is shown that the use of UWB signals with a large base allows to resolve multiple echo-signals from the target in the time domain, and a wide operating frequency band allows for an efficient spectral analysis of the received signal. The principal difference between the mutual-correlation functions of the echo signals for the cases of narrowband and UWB sounding is shown. Spectral portraits of targets, various in form and material, obtained with the use of UWB signals are presented. Sounding the targets with a UWB signal showed a higher degree of contrast and clarity of the acoustic images in comparison with the use of the narrowband signal. Thus, it is shown that UWB signals can be used to solve problems of recognition and classification of underwater objects in difficult conditions
Keywords: ultra-wideband signals, sonar, targets classification
UDC 621.396.96
Bibliography - 9 references Received - 24.08.2018 RENSIT, 2018, 10(2):209-212_DOI: 10.17725/rensit.2018.10.209
