Программный имитатор для исследования алгоритмов обнаружения и классификации целей, реализуемых в пассивной гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.88

Программный имитатор для исследования алгоритмов обнаружения и классификации целей, реализуемых в пассивной гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной

Ю.В. Шафранюк

ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», г. Санкт-Петербург

В работе описывается имитатор сигналов на выходе приемных элементов гибкой протяженной буксируемой антенны. Приводятся требования к имитатору, общая схема и принцип построения. На примере имитационных данных иллюстрируется его работоспособность.

Пассивные гидроакустические станции (ГАС) с гибкой протяженной буксируемой антенной (ГПБА) являются одними из основных информационных систем освещения подводной обстановки, позволяющими на достаточно больших дальностях производить обнаружение подводных объектов. Наиболее сложной задачей, решаемой в ГАС с ГПБА, является классификация и определение координат и параметров движения обнаруженных объектов. имитатор сигнал антенна

Одним из основных этапов разработки алгоритмов классификации и определения координат и параметров движения обнаруженных объектов является их отработка на модельных данных, учитывающих особенности излучения, распространения и приёма сигналов и помех в реальных морских условиях.

Поэтому целью работы являлась разработка алгоритмов и программного обеспечения имитатора сигналов на выходе приемных элементов ГПБА для отработки алгоритмов классификации и определения координат и параметров движения обнаруженных объектов.

Требования к имитатору

Для обеспечения адекватной отработки алгоритмов обнаружения, классификация и определения координат и параметров движения шумящих объектов в реальных морских условиях имитатор должен учитывать:

Конструкцию ГПБА (ее длину, количество приемных элементов, расстояние между ними, рабочий диапазон частот) [1];

Особенности маневрирования и шумоизлучения морских объектов (скорость, курс, глубина, уровень и спектр шумоизлучения в рабочем диапазоне частот в функции скорости объекта, параметры дискретных составляющих в спектре шумоизлучения, обусловленные работой корабельных механизмов, параметры амплитудной вально-лопасной модуляции шума цели, а также модуляции вследствие качки на волнении) [2-4];

Особенности распространения сигнала цели в реальной морской среде (пространственное затухание, многолучевость и аномалию распространения) [5];

Четырехкомпонентную модель распределенной помехи (шумы моря, шумы носителя, гидродинамические шумы обтекания ГПБА, шумы удаленного судоходства) [3,5];

Особенности преобразования сигнала в приёмных каналах антенны [6].

Структура имитатора

С учётом перечисленных требований была предложена следующая структура имитатора, изображенная в виде блок-схемы на рис.1. Ниже приводится описание блоков имитатора.

Рис. 1. Структура имитатора

Блок 1. Имитатор внешней обстановки.

Имитатор внешней обстановки с заданным шагом по времени (как правило, 1 сек) выдает текущее относительное (относительно носителя ГАС с ГПБА) положение всех объектов и их параметры движения. Он также синхронизирует работу всех остальных блоков.

Блок 2. Гидроакустические расчеты.

В блоке на моменты времени, генерируемые в блоке 1, рассчитываются параметры сигнала каждого объекта и всех видов помех на входе ГПБА. Расчет осуществляется по специальной программе гидроакустических расчетов, учитывающей распространение акустических сигналов и помех в реальном морском волноводе [5].

Блок 3. Формирование распределенных помех.

В блоке производится расчёт воздействия на приёмные элементы антенны помеховой составляющей акустического поля и формирование распределённых помех на выходе антенны [7].

Блок 4. Формирование сигналов локальных источников.

В блоке производится вычисление параметров сигнала от локальных источников на входе антенны и формирование сигналов от локальных источников, приведённых к выходу каждого приёмного элемента ГПБА (с учетом временного сдвига, зависящего от направления прихода сигнала на антенну).

Полученный сигнал от локального источника суммируется с сигналами от других источников и помехой на выходе текущего приёмного элемента. Затем подвергается дискретизации и усиливается, согласно амплитудно-частотной характеристики усиления приёмного тракта антенны. В итоге формируется цифровой сигнал с выхода элементарного приёмного канала во временной области.

Всё программное обеспечение имитатора было написано на языке программирования С++ в стандарте ANSI.

Автором были разработаны блоки 3 и 4 в описанной структуре. Далее подробно будет рассмотрен блок 4.

Метод формирования сигналов локальных источников

Как отмечалось выше, при формировании сигналов от локальных источников необходимо учитывать особенности их шумоизлучения, такие как: уровень и спектр шумоизлучения в рабочем диапазоне частот, параметры дискретных составляющих в спектре шумоизлучения, обусловленные работой корабельных механизмов, параметры амплитудной вально-лопасной модуляции шума цели, а также модуляции вследствие качки на волнении.

В связи с этим, сигнал от каждого локального источника, приведённый к входу антенны, моделируется по следующей формуле [3]:

, (1)

где - временной отсчёт; - -й отсчет сигнала; - индекс луча; - число лучей; - -й отсчет широкополосной составляющей сигнала объекта с заданным наклоном спектра, моделируемый датчиком нормально распределенных случайных чисел с нулевым математическим ожиданием и единичным среднеквадратическим отклонением; - уровень широкополосной составляющей сигнала объекта, Па; - временная разница в набеге -го луча, с; - модулирующая часть сигнала; - полигармоническая часть сигнала (дискретная часть спектра).

Модулирующая составляющая сигнала моделируется по формуле [4]:

, (2)

(3)

где - индекс гармоники; - число гармоник; - коэффициент модуляции для -й гармоники модулирующего сигнала; - частота -й гармоники модулирующего сигнала, Гц; - случайная фаза -й гармоники; - ширина -й гармоники.

Полигармоническая составляющая сигнала моделируется по формуле:

, (4)

, (5)

, (6)

где - индекс гармоники; - число гармоник; - уровень -й гармоники полигармонического сигнала, приведённый ко входу антенны, Па; - уровень -й гармоники полигармонической составляющей сигнала в точке излучения, Па; - аномалия распространения для -го луча от объекта; - расстояние до объекта в горизонтальной плоскости, км; - коэффициент пространственного затухания; , , - эмпирические коэффициенты модели пространственного затухания, взятые для среднегеометрической частоты диапазона спектрального анализа - , где - нижняя частота спектрального диапазона, а - верхняя; - частота -й гармоники полигармонического сигнала, Гц; - случайная фаза -й гармоники; где - ширина -й гармоники.

Уровень широкополосной составляющей сигнала для каждого объекта на входе антенны вычисляется по следующей формуле на основе данных помехо-сигнальной обстановки:

, (7)

где - приведенный уровень широкополосной составляющей сигнала в точке излучения, Па/Гц.

Результаты тестирования имитатора

С целью проверки работоспособности разработанного имитатора были проведены проверки по следующим параметрам:

1. Приведённая мощность помехи на входе антенны.

2. Наклон сплошной части спектра помехи.

3. Частоты формирования ДС в спектре сигнала.

4. Частоты формирования амплитудных огибающих (АО) в спектре сигнала.

Для проведения проверок были составлены эпизоды, имитирующие взаимное положение носителя ГАС и объектов. При этом взаимное положение объектов описывалось на плоскости с помощью галсов, где галс характеризовался равномерным прямолинейным движением. Длительность каждого эпизода составляла 10 минут.

В таблицах 1 и 2 приведены описания тестовых эпизодов. Эпизод 1 позволяет провести первые две проверки: проверки приведённой мощности помехи и наклона сплошной части помехи. В свою очередь, эпизод 2, имитирующий один объект, позволяет проверить частоты формирования ДС в спектре сигнала и его АО.

Таблица 1. Описание поведения носителя ГАС

Таблица 2. Описание поведения объектов

В таблицах 3-6 приводятся полученные и заданные значения проверяемых параметров.

Таблица 3. Результаты проверки давления на входе антенны

Таблица 4. Результаты проверки наклона спектра на входе антенны

Таблица 5. Результаты проверки частот формирования ДС в спектре сигнала

Таблица 6 Результаты проверки частот формирования ДС в спектре АО

На рисунке 2 приведен график зависимости частот ДС от времени, иллюстрирующий стабильность формирования ДС во времени.

Рис. 2. Зависимость частоты ДС от времени

Как видно из приведённых выше таблиц разность полученных и заданных значений параметров не превышают следующих величин: приведённой мощности помехи на входе антенны - 0,01 дБ; наклона спектра помехи - 0,04 дБ/октава; формирования ДС и истинных значений частот ДС - 1,15 Гц; частот формирования ДС в спектре АО - 0,01 Гц. Полученные результаты являются вполне допустимыми для практических приложений. Это позволяет сделать вывод, что проверки прошли успешно.

Разработан и протестирован имитатор сигналов на выходе приемных элементов ГПБА, учитывающий особенности излучения, распространения и приема сигналов и помех в реальных морских условиях, влияющие на эффективность работы ГАС с ГПБА. Разработанный имитатор позволяет проводить отработку алгоритмов обнаружения, классификации и определения координат морских шумящих объектов.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 11-08-01097-а и 12-08-00511-а).

Литература

1. Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. Состояние и актуальные проблемы. - СПб.: Наука, 2004. - 143 с.

2. Справочник штурмана / Под ред. В.Д.Шандабылова - Москва: Воениздат, 1968. - 544 с.

3. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. - Л.: Судостроение, 1978. - 445 с.

4. А.А.Кудрявцев, К.П.Лугинец, А.И.Машошин. Oб амплитудной модуляции подводного шумоизлучения гражданских судов // Акустический журнал. 2003. - том 49. - №2. - С. 224-228.

5. Акустика океана / Под ред. акад. Л.М.Бреховских. - М.: Наука, 1974. - 693 с.

6. Малышкин Г.С. Оптимальные и адаптивные методы обработки гидроакустических сигналов. Т.1. Оптимальные методы. Т.2. Адаптивные методы. - СПб: ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 2009, 2011. - 374 с.

7. Ю.В. Шафранюк. Имитатор сигналов на выходе приемных элементов пассивной гидроакустической станции с гибкой протяженной буксируемой антенной // Научо-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, в печати.

Размещено на Allbest.ru