CC BY
24
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2009 год № 2 (2)
05.00.00 Технические науки
УДК 542.34
Б.А.Касаткин, Г.В.Косарев
Касаткин Борис Анатольевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, заведующий лабораторией гидроакустических навигационных систем Института проблем морских технологий ДВО РАН. E-mail: gor@marine.febras.ru
Косарев Георгий Валерьевич - ст. науч. сотр. лаборатории гидроакустических навигационных систем Института проблем морских технологий ДВО РАН.
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОГО ПРОФИЛОГРАФА МЕТОДОМ СИНТЕЗИРОВАНИЯ АПЕРТУРЫ
Представлен метод синтезирования апертуры антенны профилографа в направлении движения носителя, позволяющий повысить разрешающую способность по горизонтальной дальности. Приводятся результаты обработки экспериментальных данных.
Ключевые слова: метод синтезирования апертуры, алгоритм синтезирования апертуры.
Boris A. Kasatkin, Georgy V. Kosarev APERTURE SYNTHESIS METHOD FOR DIGITAL PROCESSING OF SURFACE
ANALYZER SIGNALS
The article suggests a method for synthesizing surface analyzer antenna aperture, which makes it possible to improve horizontal resolution. The results of test data processing are presented.
Key words: aperture synthesis method, aperture synthesis algorithm.
Акустическое профилирование является традиционным методом исследования геологического строения дна акваторий при решении разного рода научных и производственных задач. Внедрение новых цифровых систем регистрации отраженных волн в сочетании с новыми средствами навигационного обеспечения работ существенно повысило качество получаемой информации.
Использование широкополосных импульсных излучаемых сигналов большой длительности позволило существенно увеличить глубину зондирования морского дна, а применение корреляционных методов обработки таких сигналов позволило улучшить разрешающую способность по глубине, как было показано в работах [1, 3-7]. Разрешающая способность по горизонтальной дальности определяется шириной диаграммы направленности приемной и излучающей антеннами профилографа, которые, в свою очередь зависят от геометрии антенны, частоты излучения и типа антенных модулей. Получение высокого разрешения по горизонтальной дальности, при использовании обычной антенны малого размера, возможно с помощью виртуальной антенны с синтезированной апертурой. Особенностью профилографической съемки является то, что носитель антенны профилографа движется с равномерной скорость по прямолинейной траектории. Таким образом, можно рассматривать искусственную антенную систему, состоящую из N рядом стоящих элементов, как линейную решетку. Алгоритмы синтезирования, используемые в радиолокационных системах нашли свое применение и в различных гидролокационных системах. В работе [7] описан алгоритм синтезирования апертуры, cуть которого состоит в следующем (рис. 1).
Антенна профилографа в точке А перемещается по траектории, описываемой вектором т^), где ^ - параметр траектории. Сигнал, принимаемый антенной в точке А, описывается соотношением:
деляемой вектором Я;
В - диаграмма направленности;
/ (*) - коэффициент отражения от элементарного объема с/я = с1хс1уск;
Б(^ - излучаемый сигнал.
Задача состоит в оценке коэффициента отражения f ( R ) по совокупности измерений сигнала Z(t,s) в различных точках траектории r (s) r(s). В среднеквадратичной метрике оптимальная оценка f (R) коэффициента отражения f (R) дается соотношением
С
При этом f (R) является сверткой истинного коэффициента отражения f (R) с ядром K (R, R), определяемым корреляционными характеристиками излучаемого сигнала
f(R0)=lf(R)K(R,R,)dA (3)
Таким образом, соотношение (2), называемое методом пространственновременной корреляции (time-domain correlation [2]), описывает алгоритм оптимальной обработки, а соотношение (3) определяет характеристики пространственного разрешения.
Рис. 1. Геометрия съемки профилографом в режиме синтезирования
Для анализа эффективности применения методов синтезирования были использованы результаты измерений акустического профилографа, любезно
предоставленные учеными из Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, со следующими характеристиками: несущей частотой
периодом повторения зондирующих импульсов шириной диаграммы направленности приёмно-передающей антенной частотой квантования отраженного сигнала физическим размером антенны
а
б
в
3,5 кГц; 100 м/сек;
55°;
25 кГц; 0,4 м.
Рис. 2. Исходное (а) и обработанное изображение профиля дна с различными размерами апертуры синтезирования: б) 1,5 м; в) 3,0 м; г) 6,4 м
На рис. 2 приведены примеры изменения изображения профиля дна при увеличении размера апертуры синтезирования антенны. Вверху приведено исходное изображение (а), ниже (б-г) - обработанные с применением алгоритма синтезирования. Длина обследуемого участка составляла 400 м, скорость буксировки 2,2 м/с. В результате обработки характерные гиперболические сигнатуры в месте расположения локальных объектов в толще дна превращаются в точки после когерентной обработки, улучшается разрешение, что позволяет реально оценить размеры локальных объектов.
г
Приведенные примеры иллюстрируют эффективность применения методов синтезирования апертуры в системе с данными параметрами сигнала и условиями проведения измерений для выделения малоразмерных структур и объектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Автономные подводные роботы. Системы и технологии / под общ. ред. М.Д.Агеева. М.: Наука, 2005. 398 с.
2. Захаров А.И., Каевицер В.И., Разманов В.М., Раскатов В.Н. Применение методов синтезирования апертуры в низкочастотных эхолотах-профилографах // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: тр. IX всеросс. конф. СПб.: Наука, 2008. С. 143-147.
3. Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Использование акустического профилографа для мониторинга дна Амурского залива // Морские технологии. Владивосток: Даль-наука, 2001. С. 65-70.
4. Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Исследование дна Амурского залива акустическим профилографом высокого разрешения // Сб. трудов XI сессии Российского акустического общества. Т. 2. М.: ГЕОС, 2001. С. 18-22.
5. Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Опыт использования акустического профилографа для мониторинга акватории Амурского залива // Разведка и охрана недр. 2001. № 1. С. 20-22.
6. Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Использование акустического профилографа, на борту АНПА, для исследования структуры морского дна // Технические проблемы освоения Мирового океана: материалы международ. науч.-техн. конференции. Владивосток: Дальнау-ка, 2007. С. 360-363.
7. Kasatkin B.A., Kosarev G.V., Larionov Yu.G. Inspection of the Amur Bay bottom by the acoustic profiler of a high resolution // Materials International Conference Shipbuilding and Ocean Engineering. Problems and Perspectives (SOPP’01). Vladivostok: Dalnauka, 2001. P. 394-400.
