WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

Трусова Оксана Ивановна

Методы обработки экспериментальных данных гидроакустических систем для их настройки в условиях воздействия внешней среды

Специальность 05.13.01 – «Системный анализ, управление и обработка информации» (отрасль: информационные, телекоммуникационные и инновационные технологии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна – 2012

Работа выполнена в ГБОУ ВПО Московской области «Международный университет природы, общества и человека «Дубна» на кафедре Персональной электроники Института системного анализа и управления.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Трофимов Александр Терентьевич

Официальные оппоненты:

Петров Андрей Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный горный университет», кафедра «Системы автоматизированного проектирования» (г. Москва), профессор Крюков Юрий Семнович, доктор технических наук, старший научный сотрудник, ФГУП «НИИ прикладной акустики» (г. Дубна), начальник управления

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет приборостроения и информатики», г. Москва

Защита состоится «__» __________ 2012 года в _____ в аудитории 1-300 на заседании диссертационного совета Д 800.017.02 при Международном университете природы, общества и человека «Дубна» по адресу: 1419Московская обл., г. Дубна, ул. Университетская, д. 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Международного университета природы, общества и человека «Дубна».

Автореферат разослан: «____» __________ 20

Ученый секретарь диссертационного совета Токарева Надежда Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы Гидроакустические системы относятся к классу сложных технических систем сбора и обработки информации, функционирующих в условиях неопределенности при изменяющихся параметрах системы и характеристиках среды эксплуатации.

Сложность рассматриваемых нами низкочастотных гидроакустических систем связана со следующими их особенностями: большие массогабаритные характеристики, большое количество элементов, случайное пространственное расположение элементов на морском дне, наличие до нескольких десятков пространственно-развитых антенных подсистем, разнесенных на несколько десятков километров друг от друга. Кроме того, изменчивость подводной морской среды эксплуатации, внешней по отношению к гидроакустической системе, оказывает случайное возмущающее воздействие на работу отдельных элементов и каналы передачи информации.

Неоднородность и изменчивость морской среды обусловлена наличием градиентов солености и температуры, изменением гидростатического давления, ветровым волнением морской поверхности, турбулентностью, климатическими и гидрофизическими условиями эксплуатации.

Стационарные гидроакустические системы наблюдения низкочастотного диапазона состоят из антенных подсистем сбора информации, кабельных линий передачи информации, подсистемы обработки данных (информационновычислительного комплекса).

Эти системы в смысле их особенностей можно отнести также и к классу уникальных технических систем, так как в России, да и в мире существует немного действующих подобных комплексов (одни из них, системы, разработанные ОАО «НИИ «Атолл», г. Дубна). Автор имел возможность работать с экспериментальными данными этих гидроакустических систем.

В настоящее время гидроакустические системы находят свое применение при создании систем связи, систем обнаружения и определения координат подводных и надводных объектов, измерения глубин и сейсмопрофилирования дна океана, подводной навигации, управления подводными автономными аппаратами и при рассмотрении вопросов построения интегрированной системы наблюдения и передачи информации.

Комплексные испытания гидроакустической системы являются завершающим этапом ввода системы в эксплуатацию. Для данного этапа важной задачей является осуществление режима настройки и проверки эффективности существующих методов обработки на реальных экспериментальных данных и дальнейшее усовершенствование или разработка новых методов. Причем решение данной задачи осложняется условиями неопределенности проведения испытаний.

Предварительно перед началом проведения испытаний необходимо проводить оценку параметров элементов гидроакустической системы, функционирующей в реальных условиях эксплуатации морской среды, и их настройку.

Извлечение гидроакустической информации в условиях неопределенности воздействия внешней среды требует создания и применения специальных методов обработки данных на этапах настройки и ввода в эксплуатацию и при длительных условиях эксплуатации.

Методам обработки гидроакустической информации, анализа различных характеристик морской среды и параметров гидроакустических систем посвящено множество исследований в работах как зарубежных (Роберт Дж. Урик, К. Пекерис, Дж. Келлер, В. Манк (W. Munk), Дж. Пападакис, К. Вунш (C. Wunsch), и др.), так и отечественных ученых (Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов, М.Д. Смарышев, В.А. Елисеевнин, В.А. Зверев, А.Г. Лучинин, А.И. Хилько, В.Г. Петников, Б.Г. Кацнельсон, К.В. Авилов, А.И. Белов, Г.С. Малышкин, В.Н. Кравченко, Ю.С. Крюков и др.).

Данные работы большей частью являются теоретическими, с применением компьютерных моделей и лабораторными, полунатурными экспериментами, вследствие того, что проведение экспериментальных исследований в реальных условиях эксплуатации (морской среде) сопряжено со значительными затратами (материальными, временными, людскими) и необходимостью привлечения сложных технических средств.

Поэтому важными являются задачи оценки параметров антенных подсистем и характеристик среды, а также разработки методов обработки данных на этапах настройки и ввода в эксплуатацию и во время эксплуатации гидроакустических систем.

Анализ экспериментальных данных гидроакустических систем с использованием специальных методов обработки с целью настройки систем для повышения эффективности их работы является актуальным и имеющим важное практическое значение.

Объект исследования – сложная гидроакустическая система сбора и обработки информации.

Предмет исследования – методы обработки экспериментальных данных, полученных при испытаниях и опытной эксплуатации гидроакустических систем, обеспечивающие извлечение информации о параметрах элементов системы и характеристиках среды, методики использования полученных параметров и характеристик для настройки параметров системы.

Цель исследования Создание методов обработки экспериментальных данных сложных гидроакустических систем сбора и обработки информации с целью их настройки, повышения эффективности использования и улучшения качественных характеристик функционирования в условиях воздействия внешней среды.

Задачи исследования 1. Анализ состояния вопроса о методах определения характеристик среды и изменяющихся случайным образом параметров гидроакустической системы и принципов использования этих характеристик для настройки системы.

2. Разработка метода обработки экспериментальных данных гидроакустических систем для извлечения информации о значениях коэффициентов передачи приемных элементов и разработка методики настройки этих коэффициентов.

3. Обоснование метода обработки экспериментальных данных с целью получения пространственно-временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря.

4. Разработка методики использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для настройки подсистем обработки информации с целью улучшения качественных характеристик функционирования гидроакустических систем Методы исследования Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа и управления, статистической обработки информации, теории вероятности, теории цифровой обработки сигналов.

Научная новизна 1. Разработан новый метод определения коэффициентов передачи отдельных приемных элементов и предложена методика выравнивания этих коэффициентов, позволяющие осуществлять процедуру настройки параметров элементов системы без использования дополнительного измерительного оборудования.

2. Получены новые результаты анализа пространственно-временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря, позволяющие определять параметры передаточной функции канала передачи гидроакустической информации.

3. Предложена новая методика использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для определения параметров канала передачи информации, используемых при настройке подсистем обработки информации.

Практическая ценность работы Разработанные на основе предложенных методов обработки данных алгоритмы реализованы в виде комплекса программ. Программы, внедренные в подсистему обработки данных (информационно-вычислительный комплекс) стационарной гидроакустической системы подводного наблюдения, разработанного ОАО «НИИ «Атолл» (г. Дубна), позволили улучшить обработку информации посредством адаптации к изменяющимся, в результате различного рода внешнего воздействия, параметрам системы и характеристикам морской среды, и позволили повысить эффективность обнаружения объектов наблюдения.

Практическая ценность результатов диссертационного исследования Трусовой О.И. заключается в том, что они имеют существенное значение для разработки методики настройки параметров реально действующих гидроакустических систем и могут быть использованы при проектировании новых систем.

Методические рекомендации и выводы диссертационного исследования успешно используются при обучении в университете «Дубна» бакалавров по направлению «Конструирование и технология электронных средств» в области разработки и проектирования электронных средств акустических систем.

Указанные внедрения подтверждены соответствующими актами.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Метод определения коэффициентов передачи приемных элементов гидроакустической системы и методика выравнивания этих коэффициентов позволяют оперативно проводить процедуру настройки параметров элементов системы, повышая при этом эффективность работы системы.

2. Результаты анализа пространственно-временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря имеют существенное значение для методики настройки подсистемы обработки гидроакустической информации в соответствии с параметрами передаточной функции канала передачи.

3. Методика использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для определения параметров канала передачи информации, позволяет улучшить качественные характеристики функционирования гидроакустических систем.





Апробация работы Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение специалистов на следующих международных, всероссийских и региональных научных конференциях:

15-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2009 г.);

16-ой научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Дубна, 2009 г.);

11-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2009 г.);

XIII научной конференции по радиофизике, посвященной 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 2009 г.);

XII школе-семинаре им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», (Москва, 2009 г.);

Первой конференции молодых ученых и специалистов «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (МАГ-2009) (Санкт-Петербург, 2009 г.);

16-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2010 г.);

17-ой научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Дубна, 2010 г.);

XIV научной конференции по радиофизике, посвященной 80-й годовщине со дня рождения Ю.Н. Бабанова (Нижний Новгород, 2010 г.);

10-ой Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2010), (Санкт-Петербург, 2010 г.), Научно-технической конференции «XVI Макеевские чтения», (Москва, 2010 г.);

Юбилейной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Теоретические основы применения ВМФ в сетецентрических войнах» (Петергоф, 2010 г.);

XIII школе-семинаре им. академика Л.М. Бреховских «Акустика океана», (Москва, 2011 г.);

Всероссийской молодежной конференции «Молодежь и современные информационные технологии», (Воронеж, 2011 г.);

Второй молодежной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (МАГ-2011), (Санкт-Петербург, 2011 г.).

Публикации По теме диссертации опубликовано 13 работ. Среди них: 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК [1-4], в том числе статьи [3-4], опубликованные в журналах предметной области диссертационного исследования, 1 статья в ежегодном научном журнале; статей в сборниках трудов научных конференций.

Личный вклад автора Диссертация основана на теоретических, методологических и экспериментальных работах, которые были выполнены автором в период с 20по 2012 г.

Автор непосредственно участвовал в разработке методов и алгоритмов обработки гидроакустической информации, полученных при испытаниях и опытной эксплуатации гидроакустических систем.

В работах, опубликованных в соавторстве, автором выполнены обработка и анализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях трех низкочастотных и одного высокочастотного стационарного гидроакустического комплекса наблюдения за подводной и надводной обстановкой. Автор принимал активное участие в обсуждении и интерпретации результатов исследований.

Автором лично проведена апробация разработанных методов обработки экспериментальных данных и методик настройки гидроакустических систем.

Объем и структура работы Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений, Общий объем диссертации составляет ___ страниц. Основное содержание изложено на ___ стр. и включает __ рисунков, _ таблиц. Список использованных источников из __ наименований отечественных и зарубежных авторов на ___ стр. и __ приложений на __ стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования. Представлены научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Показана практическая ценность проведенных исследований и приведены сведения об апробации результатов. Дано краткое содержание глав диссертации.

В первой главе проведен анализ состояния вопросов о методах определения характеристик среды и изменяющихся случайным образом параметров гидроакустической системы и принципов использования этих характеристик для настройки системы.

С целью выявления основных факторов системы и среды, которые необходимо определять и учитывать при обработке экспериментальных данных гидроакустических систем для их настройки, проведен анализ состава, структуры, функционального взаимодействия элементов (между собой и с окружающей морской средой) стационарной гидроакустической системы.

В результате анализа нами разработана граф-схема взаимодействия элементов гидроакустической системы (Рис. 1) и функциональная схема гидроакустической системы (Рис. 2).

Рис.1 Граф-схема взаимодействия элементов гидроакустической системы Рис. 2. Функциональная схема гидроакустической системы Данные схемы позволили выявить наиболее важные параметры системы и характеристики окружающей морской среды, которые необходимо учитывать при обработке экспериментальных данных.

К основным рассматриваемым параметрам системы относятся коэффициенты передачи отдельных приемных элементов, изменяющиеся случайным образом в результате воздействия различных факторов морской среды, которые оказывают влияние на результаты пространственно-временной обработки данных.

Основными характеристики окружающей морской среды (мелкого моря, с глубинами ~ 500 м), определяющими параметры канала передачи гидроакустической информации, которые необходимо использовать для настройки системы, являются: характеристики шумов моря, пространственновременные характеристики поля реверберации, параметры модовой структуры низкочастотного акустического поля.

Проведен анализ состояния вопросов о методах определения выделенных характеристик и параметров и принципах использования этих характеристик для настройки системы.

Для определения и настройки коэффициентов передачи используют различные методы калибровки с использованием сложных технических средств (научно-исследовательское судно) и специального измерительного оборудования (источников тестового излучения, анализаторов сигналов и т.п.), что сопряжено со значительными затратами (материальными, временными).

В результате исследования существующих методов анализа характеристик окружающей морской среды, был выявлен следующий факт.

Большая часть методов основана на теоретическом (аналитическом) анализе характеристик с использованием компьютерных моделей, так как экспериментальных данных, полученных при испытаниях гидроакустических систем в реальных условиях эксплуатации мало, а проведение испытаний сопряжено со значительными затратами. А характеристики среды, полученные в результате анализа компьютерных моделей акустических полей, при использовании их для настройки подсистемы обработки не дают возможности повысить эффективность работы гидроакустических систем.

Из результатов первой главы был сделан следующий вывод: необходимо разработать методы обработки экспериментальных данных гидроакустических систем, позволяющие извлекать информацию о параметрах системы и характеристиках среды (параметрах канала передачи гидроакустической информации), с целью использования их для настройки системы Во второй главе разработан метод определения коэффициентов передачи приемных элементов на основе обработки экспериментальных данных гидроакустических систем и предложена методика настройки этих коэффициентов.

Методы обработки экспериментальных данных предназначены для извлечения информации о параметрах системы. Но для настройки коэффициентов передачи важны не столько абсолютные значения коэффициентов, сколько важно привести их к одному (среднему) значению.

Поэтому основной целью обработки является выравнивание коэффициентов передачи отдельных приемных элементов. Поставленная цель достигается тем, что в качестве тестового сигнала используются акустические шумы моря.

Приемные элементы гидроакустической системы распределены в пространстве, и поэтому встает вопрос, какой должен быть сигнал, чтобы оценить и выровнять коэффициенты передачи. Соответственно необходим некий источник тестового сигнала, который имел бы одинаковые характеристики интенсивности, чтобы можно было воздействовать на каждый приемный элемент в отдельности.

Если задачу решать технически, то на определенном отдалении от приемных элементов необходимо проходить на научно-исследовательском судне вдоль всех приемных элементов и воздействовать на них эталонным сигналом тестового источника излучения спускаемого с борта судна, как это делается при стандартной калибровке и настройка этих коэффициентов при вводе системы в эксплуатацию. Но проведение таких экспериментов сопряжено со значительными расходами (материальными, временными, людскими и прочими).

Из теории и практики известно, что шумы моря пространственно изотропны в пределах поля антенной подсистемы. Данный известный факт использован как отправная гипотеза. Экспериментально было доказано, что спектральные отсчеты шума некоррелированные и имеют одинаковую интенсивность в ограниченной полосе частот (рабочей полосе рассматриваемой системы).

Необходимо было убедиться, что спектр равномерный, интенсивность одинаковая. Для этого был проведен анализ распределения по отдельным спектральным отсчетам. Распределение отдельных частотных компонент подчиняется закону Рэлея (рис. 3), следовательно, спектральные отсчеты шума подчиняются нормальному (гауссовскому) закону распределения. Исходя из данного факта, шумовой сигнал можно отождествить с белым (гауссовским) шумом.

Рис. 3. Плотность распределения отсчетов Рис. 4. Дисперсия шума по гидрофонам амплитудного спектра и среднее значение по гидрофонам Таким образом, в качестве оценки коэффициента передачи отдельных приемных элементов нами была использована оценка дисперсии шума с каждого приемника в полосе частот:

, где – j-ый отсчет амплитудного спектра, определенный для i-го приемного элемента, – номер спектрально отсчета, N – количество отсчетов спектра в выбранной (рабочей) полосе частот, – номер приемного элемента.

Исходя из этого, при равенстве коэффициентов передачи дисперсия должна быть одинаковой, а в результате анализа (рис. 4) значения дисперсии разные, следовательно, получили оценку коэффициентов передачи.

Оценку коэффициентов передачи проводили исходя из следующего соотношения:

, где – дисперсия шума на i-ом приемнике, – коэффициент передачи i-го приемника, – спектральная плотность (мощность) белого (гауссовского) шума, приходящаяся на один отсчет спектра, N – количество отсчетов спектра в выбранной (рабочей) полосе частот.

Так как для выравнивания коэффициентов передачи не важны их абсолютные значения, а необходимо привести их к одному уровню. В качестве такого уровня выбрано среднее по приемникам значение и проведена следующая оценка где – среднее по приемникам значение дисперсии шума, – дисперсия шума на i-ом приемнике. В результате проведенных преобразований получен относительный коэффициент передачи i-го приемного элемента:

где, – ошибка, которая определяется дисперсией:

(1) Из (1) видно, что величина ошибки зависит от количества спектральных отсчетов (взятых для анализа) и количества приемных элементов.

На графике рис. 5 приведен пример оценки коэффициентов передачи при условии и. В результате теоретических расчетов получили, что ошибка определения коэффициентов передачи в рассмотренном примере составляет порядка.

Дополнительно для уменьшения ошибки проводится усреднение по множеству временных реализаций (несколько десятков). Соответственно, при увеличении количества отсчетов спектра, количества гидрофонов и количества выборок временных реализаций шума определяемый коэффициент передачи (КП) будет Рис. 5. Относительные коэффициенты стремиться к истинному значению.

передачи гидрофонов Методика настройки коэффициентов передачи заключается в нормировке принятого на i-ый приемный элемент сигнала на коэффициент. На графиках рис. 6 и 7 приведены примеры результатов настройки коэффициентов передачи (дисперсия и диаграмма направленности после настройки).

Рис. 6. Дисперсия шума по гидрофонам и Рис. 7. Диаграмма направленности:

среднее значение по гидрофонам после 1 – до настройки коэффициентов передачи нормировки на КП приемных элементов, 2 – после настройки По графику рис. 6 видно, что происходит выравнивание уровня дисперсии шума, что подтверждает эффективность метода определения и настройки коэффициентов передачи гидрофонов по экспериментальным данным гидроакустических систем, без использования дополнительных средств измерения.

На графике рис. 7 представлен один из примеров сравнения изменения диаграммы направленности до и после настройки коэффициентов передачи отдельных приемных элементов. Снижение уровня бокового поля диаграммы направленности на 0.5 дБ для стационарных низкочастотных гидроакустических систем соответствует увеличению дальности действия системы на 1-3 км. Представленный пример доказывает эффективность использования разработанного метода определения коэффициентов передачи и методики их настройки.

Из результатов второй главы следует первое защищаемое положение:

Метод определения коэффициентов передачи приемных элементов гидроакустической системы и методика выравнивания этих коэффициентов позволяют оперативно проводить процедуру настройки параметров элементов системы, повышая при этом эффективность работы системы В третьей главе проведено обоснование методов обработки экспериментальных данных для получения пространственно-временных характеристик поля реверберационной помехи и характеристик модовой структуры акустического поля мелкого моря.

По экспериментальным данным, полученным при проведении испытаний стационарных гидроакустических систем, проведен анализ статистических характеристик помехи: среднего значения, дисперсии. Определен закон и построена модель (аппроксимация) изменения интенсивности реверберационной помехи по времени:

V t Amax, 1 atb Amax где – уровень максимального значения огибающей реверберации, t n t – время, a и b – параметры, определяемые оптимизационным методом наименьших квадратов (рис.8).

Выделены и проанализированы стационарная и флуктуирующая составляющие реверберационной помехи. Стационарная составляющая помехи возникает, в результате, отражений сигнала от стационарных объектов (например, рельефа дна, Рис. 8 Огибающая реверберационной берегов, инженерных конструкций).

помехи (1) и апроксимационная модель (2) На основе проведенного анализа выявлены корреляционные зависимости стационарной составляющей реверберационной помехи.

Проведено исследование экспериментальных данных, принятых на горизонтально и вертикально распределенные в пространстве акустического волновода гидрофоны высокочастотного активного стационарного гидроакустического комплекса. На основе результатов анализа корреляционных характеристик реверберационной помехи по пространственноугловым каналам (для горизонтальной антенны) (рис. 9) определено, что импульсы, пришедшие с разных пространственных направлений не когерентны (слабо коррелированны).

Рис. 9. Срез матрицы коэффициентов Рис. 10. Временные сечения по корреляции поля реверберации по вертикальным углам компенсации антенны пространственным (горизонтальным) (95 deg – направление прихода сигнала по направлениям (угловым каналам) «водному лучу») В результате исследования пространственно-временной структуры гидроакустического поля, принятого на вертикально распределенную в пространстве антенную подсистему (рис. 10), выделено направление прихода (вертикальный угол) импульса с реверберацией, уровень которой намного ниже уровня помехи с других пространственных направлений.

В качестве исходных данных анализа модовой структуры акустического поля использованы экспериментальные данные, принятые на протяженные горизонтальные донные антенные подсистемы гидроакустических комплексов (ОАО «НИИ «Атолл»). Данные – временные выборки широкополосного импульса с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ).

Анализ модовой структуры проведен с помощью двух методов обработки, адаптированных к экспериментальным данным рассматриваемых гидроакустических систем.

Первый метод основан на согласованной обработке ЛЧМ импульса S t с модельным (опорным) импульсом.

Sop t Второй метод основан на процедуре гетеродинирования ЛЧМ импульса S t (предварительно отфильтрованного от шумов) по закону изменения частоты:

ktV t S t exp j 2 f0t 2, fгде – нижняя частота диапазона частот сигнала, t – время (сек), k f /T.

В результате применения к экспериментальным данным рассмотренных методов обработки, получена модовая структура низкочастотного акустического поля (рис. 11), представляющая собой набор тональных импульсов (отдельных мод или групп мод), пришедших на приемник с разной временной задержкой.

а б в г Рис. 11. Результаты обработки ЛЧМ импульса по 1-му (а, в) и 2-му алгоритму (б, г) с одного приемника и со всех гидрофонов антенны На графиках рис.11а и 11б представлены результаты выделения мод по ЛЧМ импульсу с одного приемного элемента с помощью двух алгоритмов. По оси абсцисс отложены временные задержки отдельных мод (групп мод). На графиках рис. 11 в и рис. 11 г представлено изменение модовой структуры на разных приемных элементах антенной подсистемы. По оси абсцисс отложены временные задержки отдельных мод (групп мод), по оси ординат – номера приемников. При сравнении результатов обработки экспериментальных данных с помощью двух методов, получено, что второй метод дает более точный результат, т.е. позволяет разделять большее количество мод.

Проанализированы следующие характеристики: количество, амплитуда, время задержки мод, время рассеяние по задержкам, изменение модовой структуры по времени (пространству), т.е. по всем приемникам протяженных (пространственно распределенных) антенных подсистем, расположенных на разных расстояниях от излучающей подсистемы, и по множеству временных реализаций.

В результате анализа выявлены закономерности изменения модовой структуры в зависимости от следующих параметров: диапазона частот, дальности взаимного расположения приемной и излучающей подсистемы комплекса, условий проведения эксперимента (климатических условий, строения и структуры дна и др.) Рис. 12. Пространственно-временная модовая структура низкочастотного гидроакустического поля мелкого моря В результате обработки ЛЧМ импульсов (центральная частота ~ 100 Гц, диапазон частот 20 Гц), полученных при испытании стационарного гидроакустического комплекса (НИИ «Атолл») в акватории одного из Арктических морей (мелком море), по множеству временных реализаций (рис. 12), выделено до 30 распространяющихся мод, с интервалом рассеяния по времени задержки до 6 сек. При анализе пространственно-временных характеристик мод определено, что стабильными являются только несколько первых мод (~ 5), которые и несут основную энергию информационного сигнала. Следовательно, при построении алгоритмов согласованной со средой обработки следует ориентироваться именно на эти моды.

На основе полученных результатов анализа модовой структуры был построен спектр мод, позволяющий определять следующие параметры, необходимые для настройки канала передачи гидроакустической информации (Рис. 13): количество мод – k, интервал рассеяния по времени – Т, интенсивность i-ой моды – bi, время групповой задержки i-ой моды.

Рис. 13. Спектр мод Из результатов проведенных исследований следует второе защищаемое положение:

Результаты анализа пространственно-временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря имеют существенное значение для методики настройки подсистемы обработки гидроакустической информации в соответствии с параметрами передаточной функции канала передачи В четвертой главе разработаны методики использования результатов анализа пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для определения параметров канала передачи информации и настройки подсистемы обработки данных.

На основе полученных результатов анализа временных характеристик реверберации, выделенной стационарной составляющей помехи, предложен метод компенсации этой составляющей.

Метод основан на обработке сигналов, представляющих собой прореженную последовательность тональных импульсов, и состоит из следующих процедур:

Выделение стационарной составляющей (когерентное усреднение межимпульсных интервалов = );

Компенсация среднего значения на каждом интервале ;

Согласованная фильтрация компенсированной последовательности, где ifft[] – обратное преобразование Фурье, – спектр компенсированной последовательности, – спектр модельной последовательности (опорного сигнала).

Обязательным условием применимости данного метода является полная синхронность импульсов (вплоть до фазы), при выполнении которого, возможна не только межимпульсная, но и межпериодная компенсация помехи.

Проведена апробация представленного выше метода на экспериментальных данных, полученных в результате проведения испытаний высокочастотного активного стационарного гидроакустического комплекса «Дельфин-М2» (НИИ «Атолл», г. Дубна).

На рис. 13 представлен модуль комплексной огибающей обрабатываемой импульсной последовательности. Результат подавления реверберационной помехи представлен на графике рис. 14.

Рис. 13. Модуль комплексной огибающей Рис. 14. Ослабление уровней спадания импульсной последовательности, принятой реверберации: 1 – до, 2 – после на гидрофон адаптивного подавления реверберации Метод подавления стационарной составляющей помехи опробован на большом массиве экспериментальных данных. Для рассматриваемых условий эксперимента получены хорошие результаты, подавление реверберации на 3040 дБ (т.е. уменьшение уровня помехи в 100 раз), что подтверждает эффективность применения данного метода для учета характеристик среды при обработке гидроакустической информации.

На основе полученных результатов анализа пространственно-временных характеристик поля реверберации, выявленной корреляционной зависимости поля, принятого на горизонтально и вертикально распределенные в пространстве антенные подсистемы, разработан корреляционный метод подавления помехи.

Метод основана на пространственно-временной фильтрации и совместной когерентной обработке импульсов и, принятых на горизонтально и вертикально распределенные в пространстве антенные подсистемы. Выделенный импульс с наименьшей реверберационной помехой использован в качестве опорного при корреляционной обработке.

Основным условием применимости данного метода является совмещение фазовых центров горизонтальной и вертикальной приемных антенных подсистем.

Апробация разработанного метода проведена на основе обработки экспериментальных данных, полученных при испытания гидроакустического комплекса «Дельфин-М2». Результат пространственно-временной фильтрации сигналов с горизонтальной и вертикальной антенных подсистем в выбранных направлениях представлен на рис. 15, а результат когерентной обработки на рис. 16.

Рис. 15. Огибающие тональных импульсов Рис. 16. Результат когерентной обработки после пространственной обработки на горизонтальной (1) и вертикальной (2) антенной подсистеме По результатам обработки большого массива экспериментальных данных и разного типа импульсов с использованием данного метода, получено, что реверберационную помеху удалось подавить на 10-15 дБ, повысив тем самым соотношение сигнал-шум.

Апробация разработанной методики компенсации реверберационной помехи была проведена на данных стационарного высокочастотного гидроакустического комплекса («Дельфин-М2»), полученных в процессе проведения экспериментов по сопровождению движущегося объекта наблюдения.

а б в Рис. 17. Результат обработки данных: а – до, б – после применения адаптивных алгоритмов обработки, в – после траекторного накопления ([4]) В результате обработки экспериментальных данных удалось подавить помехи и шумы на 1-2 порядка (30-40 дБ) и выделить информацию об объекте наблюдения (рис. 17), что свидетельствует об эффективности применения методики компенсации реверберации для учета параметров канала передачи при обработке гидроакустической информации.

Характеристики модовой структуры акустического поля, полученные для определенной акватории мелкого моря и определенного частотного диапазона, можно использовать для построения модели передаточной функции канала передачи гидроакустической информации.

Передаточную функцию канала передачи гидроакустической информации можно представить в виде фильтра с конечной импульсной характеристикой (рис. 18).

Рис. 18. Фильтр с конечной импульсной характеристикой В качестве весовых коэффициентов bi необходимо использовать интенсивности i-ых мод, определенных по экспериментальным данным, а в качестве элементов Zi, задержек – групповую задержку i-ой моды.

i i Полученную модель передаточной функции используют для учета изменяющихся параметров канала передачи в алгоритмах обработки гидроакустической информации, следующим образом:

W (t) bi S t, i i где S(t) – исходная временная выборка сигнала, – время групповой задержки i i-ой моды, bi – интенсивность i-ой моды.

Использование модели передаточной функции канала при обработке гидроакустической информации позволило согласовать обработку с характеристиками реальных условий эксплуатации, что обеспечило улучшение качественных характеристик функционирования гидроакустической системы.

Из результатов проведенного исследования следует третье защищаемое положение:

Методика использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для определения параметров канала передачи информации, позволяет улучшить качественные характеристики функционирования гидроакустических систем.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и результаты проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Проведен анализ состояния вопросов о методах определения характеристик морской среды и изменяющихся случайным образом параметров гидроакустической системы и об использовании этих характеристик для настройки системы. Выявлены факторы системы и окружающей среды, которые необходимо учитывать при обработке экспериментальных данных для настройки системы.

2. Разработан метод определения коэффициентов передачи отдельных приемных элементов антенной систем, основанный на статистической обработке экспериментальных данных гидроакустических систем, и предложена методика выравнивания этих коэффициентов, позволяющая осуществлять процедуру настройки без использования дополнительного измерительного оборудования.

3. Получены новые результаты по анализу пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря, позволяющие определять параметры передаточной функции канала передачи гидроакустической информации.

4. Разработан метод компенсации стационарной составляющей реверберационной помехи, основанный на результатах анализа статистических характеристик экспериментальных данных сложных (гидроакустических) систем, позволяющий значительно снизить уровень помехи.

5. Разработан метод подавления реверберационной помехи с использованием выявленной корреляционной зависимости пространственно-временного распределения акустического поля с двух антенных систем (горизонтальной и вертикальной), дающий возможность существенно повысить отношение сигнал/шум.

6. Разработаны методы определения модовой структуры низкочастотных гидроакустических полей мелкого моря, позволяющие определять пространственно-временные характеристики поля, на основе которых можно синтезировать модели передаточной функции среды и в дальнейшем разрабатывать на их основе адаптивные алгоритмы обработки гидроакустической информации.

7. Предложена методика использования параметров модовой структуры акустического поля для настройки канала передачи гидроакустической информации, обеспечившая улучшение качественных характеристик функционирования гидроакустической системы 8. Разработанные на основе предложенных методов обработки данных алгоритмы реализованы в виде комплекса программ. Программы, внедренные в подсистему обработки данных (информационновычислительный комплекс) стационарной гидроакустической системы подводного наблюдения, разработанного ОАО «НИИ «Атолл», позволили повысить эффективность обнаружения объектов наблюдения.

9. Методические рекомендации и выводы диссертационного исследования успешно используются при обучении в университете «Дубна» бакалавров по направлению «Конструирование и технология электронных средств» в области разработки и проектирования электронных средств акустических систем.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Сахаров Ю.С., Трофимов А.Т., Трусова О.И. Методики выделения и анализа характеристик нормальных волн (мод) в гидроакустическом волноводе мелкого моря // Вестник Воронежского государственного технического университета. Т. 6. № 11. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 95-2. Трусова О.И. Программно-методический комплекс анализа данных при проведении испытаний стационарных гидроакустических систем // Сборник научных трудов «Фундаментальная и прикладная гидрофизика», №1(7) – Санкт-Петербург: Наука, 2010. С. 25-36.

3. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Хилько А.А., Малеханов А.И., Коваленко В.В., Хилько А.И.

Эксперименты по возбуждению и приему когерентных высокочастотных акустических сигналов в мелководном районе морского шельфа // Акустический журнал 2011. Т. 57, № 4. С. 485–44. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Тихомиров М.М., Хилько А.А., Малеханов А.И., Коваленко В.В., Хилько А.И. Высокочастотное акустическое наблюдение неоднородностей в мелком море с неровным дном в присутствии сильной реверберации // Акустический журнал. 2011. Т. 57, № 5. С. 462–45. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И. Анализ сигналов по данным испытаний бистатической низкочастотной системы гидролокации в условиях мелководного океана // Вестник Международного университета природы, общества и человека «Дубна».

2006. № 2 (15). С. 47 – 51.

6. Трусова О.И., Трофимов А.Т. Анализ пространственно-временных характеристик передаточной функции среды распространения гидроакустических сигналов в прибрежной зоне мелкого моря // Труды Российского науч.-техн. о-ва радиотехники, электроники и связи им. А. С.

Попова. Серия: Цифровая обработка сигналов и ее применение. Вып.: XI2. Москва. 2009. С. 529 – 531.

7. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Хилько А.И.

Натурные опыты по подавлению реверберационных помех при высокочастотной импульсной локации в мелком море с неоднородным дном // Труды XII школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана» совмещенные с XXI сессией Российского Акустического Общества. М.: ГЕОС, 2009. С. 252-28. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Хилько А.И.

Экспериментальное исследование особенностей формирования направленных сложных высокочастотных акустических импульсов в мелком море// Труды XII школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана» совмещенные с XXI сессией Российского Акустического Общества. М.: ГЕОС, 2009. С. 248-29. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Хилько А.И.

Экспериментальная оценка модовой структуры низкочастотного гидроакустического поля в мелком море // Труды Х Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2010). Санкт-Петербург: Наука, 2010. С. 66-69.

10. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Хилько А.И.

Экспериментальная апробация подавления высокочастотной реверберации в мелком море // Труды Х Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2010).

Санкт-Петербург: Наука, 2010. С. 374-376.

11. Гринюк А.В., Бурдуковская В.Г., Зверев В.А., Кравченко В.Н., Коваленко В.В., Лучинин А.Г., Малеханов А.И., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Смирнов И.П., Стромков А.А., Хилько А.И. Исследование характеристик маломодовых низкочастотных акустических импульсов в мелком море //Труды XIII школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана» совмещенные с XXIII сессией Российского Акустического Общества. М.: ГЕОС, 2011. С. 205-212. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Коваленко В.В., Трофимов А.Т., Трусова О.И., Тихомиров М.М., Хилько А.А., Малеханов А.И., Хилько А.И. Экспериментальное наблюдение пространственнолокализованных неоднородностей с помощью высокочастотных акустических сигналов в мелком море с неровным дном в присутствии сильной реверберации //Труды XIII школы-семинара им. акад.

Л.М. Бреховских «Акустика океана» совмещенные с XXIII сессией Российского Акустического Общества. М.: ГЕОС, 2011. С. 213-213. Гринюк А.В., Кравченко В.Н., Трофимов А.Т., Трусова О.И.

Экспериментальное исследование модовой структуры низкочастотного гидроакустического поля в центральной части Баренцева моря // Труды Второй молодежной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Санкт-Петербург: ОАО «Концерн «Океанприбор», 2011. С. 232-2






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.