Тема: Модель тракта прослушивания гидроакустических сигналов

Оглавление

Введение

1. Место тракта прослушивания в структуре режима ШП типовой ГАС

2. Формирование канала наблюдения в частотной области

3 Факторы, влияющие на восстановление сигнала

3.1 Перекрытие входных выборок в тракте прослушивания

3.2 Сужение полосы частот восстановленного сигнала

3.3 Частотный сдвиг при понижении полосы частот прослушивания

4 Программный макет тракта прослушивания

4.1 Структурная схема алгоритма обработки в тракте прослушивания

4.2 Структурная схема программного макета тракта прослушивания

4.3 Расчет выходных эффектов тракта

5 Результаты расчетов

Приложение 1. Текст программы в Matlab

Заключение

Список литературы

Введение

К одной из важнейших научно-технических проблем современности можно отнести освоение водного пространства.

Освоение океана повлекло множество технических проблем. Одной из них являлась невозможность заглянуть в глубины океана, узнать особенности дна, наличие и особенности подводных обитателей. С появлением судов и устройств, способных пребывать под водой более или менее долго, возникла проблема передачи информации: связь с другими объектами, сканирование окружающего пространства и прочее.

Акустические (звуковые) волны, благодаря своей природе, свойствам водной среды, способны возбуждаться при сравнительно малых затратах энергии, и распространяться на большие расстояния, при некоторых условиях на тысячи и десятки тысячи километров.

С помощью гидроакустических средств (ГАС) производят картографирование дна морей и океанов, обнаруживают предметы (эхолоты и гидролокаторы бокового обзора), осуществляют водную связь (средства гидроакустической связи), обеспечивают безопасность плавания судов, измерение скорости хода и глубины под килем (средство судовождения), производят поиск скопления рыб, управление автономными подводными приборами, доставляющими информацию о состоянии подводной обстановки (средств телеметрии и телеуправления), обнаруживают и определяют координаты подводных объектов.

Процесс преобразования акустической энергии в электрическую (и наоборот) выполняют подводные электроакустические приёмники и излучатели, входящие в состав антенны, и называемые гидроакустическими преобразователями (ГАП).

Конструкцию антенны определяют, в основном, её назначение и местоположение. Так, антенны судовых гидроакустических систем можно размещать на корпусе судна, буксировать или опускать за борт; антенны стационарных гидроакустических станций устанавливают на фундаментальных опорах в прибрежных районах, у входов в порты, в районах рейдовых стоянок и т.п.

Техническими параметрами гидролокационных станций (ГАС) являются: рабочая частота (от единицы до десятков килогерц), излучаемая акустическая мощность (от сотен ватт до сотен киловатт), ширина диаграммы направленности антенны в режимах излучения и приема в главных плоскостях, форма и длительность излучаемых импульсов, уровень усиления приемного тракта, ширина полосы частот приемного тракта. Техническими параметрами ГАС, которые не излучают акустическую энергию и предназначены для обнаружения и определения пеленга (курсового угла) подводного объекта по производимому им шуму, в частности движущегося судна (пассивные средства ШПС), являются: полоса рабочих частот, ширина диаграммы направленности антенны, коэффициент усиления приемного тракта.

С начала развития подводного флота тракт прослушивания являлся неотъемлемым и единственным средством обнаружения и классификации сигналов. Первоначально этот тракт состоял из одиночных приемников, которые размещались с левого и правого борта, либо где-то в носу судна. Это были одиночные приемники и все сигналы, которые поступали на вход этих приемников, оператор имел возможность прослушать. И по разности прихода сигнала с разных гидрофонов оператор определял, с какого борта идет цель. Тракт прослушивания существует столько же, сколько существует и подводное плавание, так как есть необходимость прослушивать сигналы, обнаруживать, откуда они пришли, и определять, что это за цель, противник либо безопасный объект. Несмотря на наличие в современных ГАС режима объективной классификации, значение тракта прослушивания так же велико. Гидроакустики во время поиска объекта хотят иметь возможность самостоятельно прослушивать сигнал и чаще всего именно они и оценивают параметры цели.

Таким образом, во всех ТЗ на ГАС и ГАК обязательно присутствует требование о наличии тракта прослушивания сигналов и помех с любого направления в заданном секторе обзора ГАС.

К числу основных задач, решаемых гидроакустическими средствами подводных лодок (ПЛ) при освещении окружающей обстановки, относится освещение подводной, надводной и воздушной обстановки в интересах самообороны ПЛ. Для наблюдения за морскими целями ПЛ должна обладать мощным гидроакустическим комплексом, работающим преимущественно в пассивных режимах (шумопеленгование, обнаружение гидроакустических сигналов - ОГС).

При наблюдении за ПЛ ПЛО возникает дуэльная ситуация “ПЛ против ПЛ”, выигрыш в которой определяется соотношением комплекса параметров противоборствующих ПЛ и их гидроакустических комплексов (ГАК): акустическая шумность ПЛ, уровень корабельных акустических помех работе собственного ГАК, энергетический потенциал ГАК, совершенство цифрового вычислительного комплекса ГАК, в том числе алгоритмов и программного обеспечения.

В большинстве современных ГАС и ГАК цифровая обработка информации, принятой антенной решеткой, осуществляется в частотной области. Это, как будет показано в работе, приводит к необходимости уточнения алгоритма обработки в канала прослушивания и согласования параметров этого алгоритма и базовых параметров режима шумопеленгования.

Целью дипломного проектирования является разработка тракта прослушивания для ГАС обнаружения гидроакустических сигналов по их шумоизлучению в звуковом диапазоне частот. Тракт обнаружения проектируется для работы в трех частотных диапазонах, рассчитанных под обнаружение целей на различных дальностях, при этом необходимо обеспечить наилучшие условия для прослушивания сигнала цели для каждого из трех частотных диапазонов. Поскольку, как известно, человеческое ухо наилучшим образом воспринимает частоты в полосе от ~300 Гц до 3-4 кГц, возникает задача понижать частоту прослушивания, то есть нужно выделить (вырезать) требуемую частотную полосу и перенести ее (гетеродинировать) в область частот, наиболее комфортную для оператора.

В данной работе требуется:

• Разработать структуру тракта прослушивания гидроакустических сигналов на выходе сформированного пространственного канала (канала наблюдения) в тракте шумопеленгования с использованием многоэлементной антенной решетки;

• разработать программный макет тракта прослушивания;

• установить взаимосвязь основных параметров тракта прослушивания с базовыми параметрами тракта ШП;

• с использованием программного макета выбрать параметры тракта прослушивания применительно к заданным в ТЗ на проект условиям.

В качестве многоканального датчика гидроакустичекой информации выбрана линейная эквидистантная антенная решетка, состоящая из 30 приемных элементов с межэлементным расстоянием d=0.1 метра.

Сектор обзора - 45 относительно нормали к антенной решетке.

Частота дискретизации входных выборок fd=24000 Гц.

Частотные диапазоны прослушивания: I – (1-2.5) кГц;

II – (2-5) кГц;

III – (4-8) кГц.

Полоса пропускания усилителя тракта прослушивания (0.3-4.5) кГц.

1 Место тракта прослушивания в структуре режима ШП типовой ГАС

Обобщенная структурная схема ГАС шумопеленгования представлена на рисунке 1.

Рис.1 Структурная схема ГАС шумопеленгования аналогового типа

1. антенное устройство, содержащее несколько гидрофонов.

2. предварительный широкополосный усилитель.

3. устройство формирования характеристик направленности, технически выполняемое в виде линий задержки и сумматоров.

4. основные усилители и частотные фильтры

5. детекторы с интеграторами

6. пороговые устройства

7. устройство измерения угловых координат

8. устройство вторичной обработки информации

Непрерывные электрические сигналы от элементов АР поступают на вход аппаратуры предварительной обработки (АПО), основными функциональными узлами которой являются предварительные усилители (ПУ) и диапазонные фильтры (ДФ). С точки зрения системного построения ГАС, АПО разбивается на ряд отдельных трактов, при этом каждой антенной решетке или группе однородных антенных решеток соответствует свой тракт. В отдельных случаях в состав АПО включают устройства формирования характеристик направленности на базе аналоговых или дискретно-аналоговых линий задержки, то есть элементы, относящиеся к первичной обработке.

При аналоговом формировании канала наблюдения проблем с организацией по его выходу прослушивания не возникало, поскольку вся обработка выполнялась во временной области. Однако аналоговое формирование статического веера пространственных каналов, выполняемое на антеннах больших размеров в широком диапазоне углов, представляет собой довольно сложную техническую задачу. Поэтому, начиная с 70-х годов 20 века, в связи с бурным развитием цифровой техники обработка гидроакустической информации от многоэлементных АР ведется в цифровой области.

В этом случае дискретные по пространству (принятые дискретной АР) процессы с выхода АПО подвергаются дискретизации с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и поступают на вход ЦВК, где реализуются алгоритмы первичной и вторичной цифровой обработки сигналов.

Система первичной или пространственно-временной обработки сигналов (СПВО), подключенная к выходам каналов предварительной обработки сигналов, решает задачи максимизации ОСП, порогового обнаружения полезных сигналов и определения угловых координат их источников с последующей выдачей информации в систему вторичной обработки. Процессоры СПВО выполняют две основные функции:

- пространственную фильтрацию сигналов (формирование ХН антенной решетки);

- временную обработку сигналов (спектральный анализ и оценивание).

По результатам первичной обработки устанавливается факт наличия полезного сигнала в поступающей на вход ГАС смеси сигнала и помехи, т.е. осуществляется обнаружение цели.

Сопровождение обнаруженных целей по углу с точным измерением текущего пеленга и ВИП в интересах целеуказания оружию осуществляется системой АСЦ.

Система вторичной обработки оперирует уже не с сигналами, принятыми антенной ГАС, а с формализованной информацией о фактах обнаружения сигналов, превысивших порог, а также о параметрах сигналов. К числу основных задач, решаемых аппаратурой вторичной обработки информации, относятся: классификация целей, определение их координат и параметров движения, формирование трасс движения целей и их анализ. В системах вторичной обработки накапливается информация от всех подсистем ГАК, в связи с чем возникает задача комплексной обработки данных. Аппаратура вторичной обработки должна подготовить данные для индикации их на дисплеях системы отображения, регистрации, документирования и управления (СОРДиУ).

К категории наиболее сложных задач вторичной обработки информации в ГАК относится задача классификации целей – одна из проблем, информация о которых (методы, алгоритмы, средства решения), считается наиболее конфиденциальной. Классификация представляет собой одну из наиболее сложных и длительных процедур, требующих значительных усилий от оператора-гидроакустика и мощной вычислительной поддержки.

При классификации в режиме ШП процедура начинается при малых отношениях сигнал/помеха и продолжается в течение всех последующих этапов наблюдения за обстановкой. По мере сближения с целью и увеличения ОСП появляется возможность отнести обнаруженную цель к одному из следующих классов: торговое судно, военный корабль, ПЛ, торпеда, сформированная средствами ГПД ложная цель; шумы портов, гаваней, плавучих платформ; морские животные.

Различают субъективную классификацию, осуществляемую оператором-гидроакустиком при больших отношениях сигнал/помеха, и объективную автоматизированную классификацию с помощью средств ЦВТ. В современных ГАК несмотря на оснащение их мощными ЦВК с развитым алгоритмическим и программным обеспечением до сего времени сохранился тракт прослушивания. С его помощью опытный оператор-гидроакустик после обнаружения сигнала может дать ответ на следующие вопросы:

-большой корабль или малый;

-есть кавитация или нет;

-шум дизеля или иного механизма;

-число оборотов винтов и число лопастей винта;

-имеет ли место перекладка рулей;

-наблюдается ли пуск оружия;

-не обусловлен ли наблюдаемый сигнал использованием средств ГПД;

-не имеет ли обнаруженный сигнал биологическую или сейсмическую природу;

-как ведет себя цель;