Содержание к диссертации
Введение
1. АНАЛИЗ ВОПРОСОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРОЛОКАТОВ БОКОВОГО ОБЗОРА ДЛЯ ЦЕЛЕЙ РЫБОПОИСКА И ЗАДАЧ ПОСТРОЕНИЯ ИММИТАЦИОННО-ТРЕНАЖЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ 12
1.1. Вопросы использования гидролокаторов бокового обзора для поиска объектов, рыб и рыбных скоплений 12
1.2. Разработка тренажерно-обучающих комплексов гидролокаторов бокового обзора (обзор источников) 18
2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА 29
2.1. Рассеяние звука дном при зондировании его гидролокатором бокового обзора 29
2.2. Расчетные модели для определения энергетических характеристик гидролокатора бокового обзора 37
2.3. Математическое моделирование энергетических характеристик гидролокаторов бокового обзора 44
Выводы 50
3. ГИДРОЛОКАТОРЫ БОКОВОГО ОБЗОРА В СОСТАВЕ ПАНОРАМНОГО ЭХОЛОТА-ВИДЕОПЛОТТЕРА ПЭВ-К И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 51
3.1. Структура ПЭВ-К и особенности построения 51
3.2. Технические характеристики гидролокаторов бокового обзора комплекса эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К 57
3.3. Анализ поля антенны гидролокаторов бокового обзора комплекса ПЭВ-К 61
Выводы 64
4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТРЕНАЖЕРА ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА 65
4.1. Концепция тренажера гидролокатора бокового обзора 65
4.2. Структура программного обеспечения имитатора ГБО 74
4.3. Алгоритм формирования результирующего сигнала, принимаемого антенной ГБО 76
4.4. Алгоритм формирования результирующего сигнала на выходе приемного тракта 81
4.5. Учет коэффициента затухания звука в воде 83
4.6. Выбор и обоснование составляющих результирующего сигнала 84
4.7. Модель реверберационного эхосигнала от донной поверхности 86
4.8. Модель эхосигнала от одиночной рыбы 90
4.9. Модель эхосигнала от камня, лежащего на дне 93
4.10. Модель эхосигнала от трубопровода, лежащего на дне 97
4.11. Модель объемной реверберации 99
4.12. Модель помехи от зондирующего импульса 103
4.13. Моделирование характеристики направленности антенны ГБО 105
4.14. Формирование акустических теней 107
Выводы 110
5. ТРЕНАЖЕРНЫЙ КОМПЛЕКС ГИДРОЛОКАТОРОВ БОКОВОГО ОБЗОРА КОМПЛЕКСА ПЭВ-К 112
5.1. Структура аппаратных средств и программное обеспечение тренажера гидролокатора бокового обзора 112
5.2. Сравнительный анализ модельных экспериментов на
тренажере ГБО с результатами натурных испытаний ПЭВ-К 121
5.3. Влияние разработанных моделей на ошибки в определении параметров целей 137
Выводы 147
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 151
ПРИЛОЖЕНИЯ 160
- Вопросы использования гидролокаторов бокового обзора для поиска объектов, рыб и рыбных скоплений
- Рассеяние звука дном при зондировании его гидролокатором бокового обзора
- Структура ПЭВ-К и особенности построения
- Концепция тренажера гидролокатора бокового обзора
- Структура аппаратных средств и программное обеспечение тренажера гидролокатора бокового обзора
Введение к работе
Актуальность работы.
Исследование и освоение Мирового океана требует не-; прерывного развития гидроакустической техники и постоянного повышения квалификации обслуживающего ее персонала. Эффективность распознавания морских объектов операторами, несмотря на совершенствование гидроакустических средств, форм, видов и способов представления информации, не удовлетворяет современным высоким требованиям. Реальная обстановка требует от операторов сокращения времени анализа информации и повышения при этом вероятности принятия правильных решений.
Комплексный анализ гидроакустической информации может эффективно осуществляться только достаточно квалифицированными, хорошо обученными специалистами.
. Специальная подготовка обслуживающего персонала гидроакустических средств должна осуществляться с широким применением тренажеров, создаваемых на базе вычислительной техники.
Несмотря на постоянный рост общих возможностей современных методов и средств моделирования, существуют технические противоречия между искусственно реализуемыми физическими и функциональными моделями гидроакустических приборов и требованиями к качеству обучения специалистов. Это связано с особенностями гидроакустической информации, вызывающими необходимость моделирования большого числа изменяющихся взаимодействующих параметров.
Перспективным направлением решения проблемы можно рассматривать разработку и использование в составе гидроакустических средств наблюдения специализированных тренажеров, строящихся по принципу экспертных систем и ориентированных на анализ конкретной, характерной
3 ь
для данной аппаратуры гидроакустической информации.
В последнее время все более широкое применение находят традиционные гидролокаторы бокового обзора, позволяющие за счет «ножевидной» характеристики направленности антенны получать панорамное изображение неровностей морского дна с находящимися на его поверхности, либо вблизи дна, объектами. Активно обсуждаются вопросы применения гидролокаторов бокового обзора для рыбопоисковых исследований с целью определения рыбных запасов, особенно на мелководье.
Несмотря на существенный прогресс в совершенствовании технических характеристик и индикаторных устройств гидролокаторов бокового обзора, одной из основных остается проблема достоверной интерпретации результатов записи. Особенно это касается применения гидролокаторов бокового обзора для регистрации и оценки запасов рыбных скоплений. В раствор широкой характеристики направленности гидролокатора бокового обзора в вертикальной плоскости попадают рыбы, находящиеся как в пелагии, так и вблизи поверхности и вблизи дна. Это приводит к тому, что они оказываются в различном положении по отношению к направлению падающей волны, что не позволяет достоверно различать их по силе цели из-за влияния индикатрисы рассеяния. Особенно сложным оказывается выделение сигналов от рыб на фоне отражений от дна и донной реверберации, особенно если по каким-либо причинам не сформирована тень от объектов.
Вопросы моделирования эхо-сигналов и помех гидролокатора бокового обзора является актуальным, ранее не рассматривались, также как и вопросы построения тренажеров для данного типа гидролокационного оборудования.
Целью диссертационной работы является разработка математических моделей компонент эхо-сигналов и помех гидролокатора бокового обзора, оптимизация алгоритмов
учета влияния особенностей пространственного распределения акустического поля гидролокатора бокового обзора на энергетической потенциал и погрешности оценки акустических свойств рассеивающих объектов, разработка принципов построения имитаторов сигналов для экспертных и тренажерных систем.
Для достижения цели в работе ставится задача исследования компонент сигн&тов принимаемых антенной гидролокатора бокового обзора, связи этих сигналов с моделями гидроакустических полей и параметрами приемоиз-лучающих трактов аппаратуры, которые направлены на создание имитаторов гидроакустических сигналов, помех и характеристик аппаратуры, используемых в составе гидроакустического тренажера гидролокатора бокового обзора.
Методы исследования. Теоретические исследования, сравнительные расчеты и проверка результатов путем математического моделирования и экспериментальны?; исследований в натурных условиях. Сравнение математического моделирования и натурного эксперимента для одинаковых целей, сигналов, помех и характеристик аппаратуры.
Научная новизна.
Разработан метод расчета энергетических характеристик гидролокатора бокового обзора с учетом особенностей поля антенны.
Разработаны математические модели компонент сигналов, помех и параметров аппаратуры гидролокатора бокового обзора, при этом учитывались особенности поля антенны гидролокатора и особенности его работы на мелководье. -
Предложены принципы построения имитатора сиг-. налов гидролокатора бокового обзора, помех и характеристик аппаратуры и имитационно-тренажерного комплекса на их основе;
Разработан метод анализа ошибок определения си-, лы цели объектов лоцирования в любой зоне антенны гид-
ролокатора бокового обзора.
Практическая значимость.
Практическая ценность исследований состоит в том, что на их основе построен имитационно-тренажерный комплекс гидролокатора бокового обзора, позволяющий проводить обучение операторов работе на аппаратуре, исследовать влияние различных компонент сигналов на изображение на экране аппаратуры и совершенствовать характеристики аппаратуры по результатам моделирования.
Внедрение результатов работы.
Разработанные алгоритмы , модели, принципы построения имитаторов-тренажеров гидролокаторов бокового обзора бьши использованы при проектировании, разработке и изготовлении, тренажера-имитатора гидролокатора бокового обзора панорамного эхолота видеоплоттера ПЭВ-К в КБ морской электронике «ВЕКТОР» г. Таганрог, в морском техникуме г.Ейск и в учебном процессе Таганрогского радиотехнического университета.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы обсуждались на научно-технических конференциях: «Проблемы прикладной гидроакустики», Таганрог, 2005 г.; «Экология 2004- море и человек», Таганрог, 2004 г.; « Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», С-Петербург, 2004 г.; «Экология 2006 - море и человек», Таганрог, 2006 г. Материалы опубликованы в 8 печатных работах.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Метод расчета энергетических характеристик гид
ролокатора бокового обзора с учетом особенностей про
странственного распределения акустического поля.
Математические модели компонент сигналов и помех гидролокатора бокового обзора.
Метод анализа погрешностей определения силы цели объектов, расположенных в любой области зоны обзора гидролокатора бокового обзора.
4. Принципы построения имитаторов сигналов и помех гидролокатора бокового обзора для тренажерных систем.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований и приложений. Диссертация содержит193 страницы печатного текста с 42 рисунками.
Вопросы использования гидролокаторов бокового обзора для поиска объектов, рыб и рыбных скоплений
Гидролокаторы бокового обзора (ГБО) относятся к классу специальных гидроакустических приборов, предназначенных для поиска объектов, расположенных на дне или в придонном слое воды. Наиболее широко распространены буксируемые ГБО, используемые для поиска затонувших объектов на больших глубинах. ГБО являются гидроакустическими средствами активной локации с нетрадиционной интерпретацией системы отображения эхосигналов от донных объектов (совокупность эхосигналов от объектов и их, так называемых, теней).
Буксируемые ГБО наиболее широко используются при поиске затонувших предметов или "осмотре" подводных инженерных сооружений (трубопроводы, коллекторы и т.д.) на глубинах свыше 50 метров. Па мелководье (глубины менее 10 метров) и ограниченных водных акваториях буксируемые ГБО практически не применяются в связи с проблемами нестационарного движения и, соответственно, большой вероятностью повреждения носителя при выводе его на заданную глубину.
Госкомрыболовством России была поставлена задача создания переносного гидроакустического оборудования, позволяющего проводить поиск и оценку запасов рыб на мелководье. А именно, необходимо было оценивать запасы взрослых особей осетровых на Северном Каспии (глубины от 3 до 10 метров) и запасы судака и леща в заливах Балтийского моря (глубины от 1,5 до 5 метров), а также использовать это оборудование для прибрежного рыболовства.
Если обнаружение и количественная оценка рыбных скоплений на средних (100-300 м) и больших (500-1000 м) глубинах с помощью гидроакустических приборов (эхолотов и гидролокаторов) /1/ не встречает особых затруднений, то их поиск и подсчет рыб на мелководье (2-Ю м) является сложной научно-технической задачей. Это связано с тем, что под действием гидродинамического напора воды и шумов движущегося судна рыбы пугаются и делают броски в сторону от его курса. Естественно, они не попадают в зону обзора эхолота. Тем не менее, они могут быть зафиксированы судовым ГБО, имеющим ножевидные (узкие в горизонтальной и широкие в вертикальной плоскости) характеристики направленности, ориентированные по траверзу судна. Разработка и испытания комбинированного гидроакустического комплекса ПЭВ-К, включающего традиционный эхолот и два канала ГБО, показали его высокую эффективность при поиске и подсчете рыб на мелководье, а также поиске малоразмерных объектов, расположенных на дне 121.
Гидролокаторы бокового обзора являются наиболее перспективным гидроакустическим средством при исследовании фарватеров, прокладке и контроле трубопроводов и кабелей, строительстве и контроле состояния подводных сооружений, поиске и классификации других подводных объектов, мониторинге подводной обстановки в неизвестных водах.
Технические разработки гидролокаторов бокового обзора ведущих институтов и фирм, как у нас в стране, так и за рубежом, успешно применяются для указанных выше целей. Реальные потребности инженерно геологических и других организаций заставили разработать гидроакустические комплексы, включающие в свою структуру системы сбора, передачи и регистрации информации, калибровки и диагностики, навигационного обеспечения и вычислительных систем, учитывающих движение судна, перекрытие галсов и ведущие пост процессинговую обработку сигналов. По сравнению с другими гидроакустическими средствами, например, с многолучевыми локаторами, гидролокатор бокового обзора обеспечивает угловое разрешение на уровне десятых долей градуса (в многолучевом локаторе разрешение единицы градусов при приемлемом количестве каналов обработки сигналов) при более простой и надежной конструкции с меньшими массогабаритными параметрами, энергопотреблением, стоимостью /3/.
Рассеяние звука дном при зондировании его гидролокатором бокового обзора
В гидролокаторе бокового обзора характеристика направленности антенны в вертикальной плоскости достаточно широкая и при наклонном зондировании «озвучивается» достаточно широкая полоса дна, которая формирует реверберационную составляющую рассеянного дном сигнала. В горизонтальной плоскости ширина характеристики направленности мала по сравнению с вертикальной плоскостью и поэтому при рассмотрении процесса рассеяния звука дном в этом случае можно воспользоваться одномерным приближением. Будем полагать, что дно представляет собой неровную поверхность, причем высота и длина неровностей может описываться разными законами распределения неровностей.
Если высота неровностей мало отличается от некоторого среднего значения (не обязательно плоскости) и повсюду достаточно пологая, то решение задачи о рассеянии волн можно получить на основе метода плавных возмущений, идея которого заключается в следующем. Граничные условия, задаваемые на неровной поверхности, путем разложения их в ряд по степеням отношения высоты неровностей к длине волны звука переносятся на среднюю поверхность. Рассматривая влияние неровностей на рассеяние звука как малое возмущение, полное поле в произвольной точке пространства можно также разложить в ряд по степеням того же малого параметра. Подставляя этот последний ряд в граничное условие на средней поверхности, можно найти условия, которым должны удовлетворяй, первое, второе и последующие приближения. С этой точки зрения задача о рассеянии сводится к решению уравнения Гельмгольца, удовлетворяющую заданным условиям на средней поверхности. Т.е. влияние неровностей может быть заменено действием виртуальных источников поля распределенных по средней поверхности, которые возбуждаются падающей волной.
Условия работы гидролокатора бокового обзора в мелком море накладывают ограничения на значение частоты зондирующего сигнала. Частоту следует выбирать достаточно высокую, чтобы уменьшить размеры антенны и использовать короткие импульсы для получения высокой разрешающей способности по дистанции. Колебания высоких частот плохо проникают в донные осадки, и поэтому можно выбрать моделью донной поверхности абсолютно жесткую неровную поверхность.
Структура ПЭВ-К и особенности построения
В имитационно-тренажерном комплексе моделируются параметры сигналов, рассеянных дном моря, объемными рассеиватслями, отдельными рыбами и рыбными скоплениями, инженерными сооружениями, шумы и параметры электроакустических трактов гидролокаторов бокового обзора, и для конкретизации этих параметров необходимо выбрать реальный комплекс, для которого эти все параметры известны. Имитационно-тренажерный комплекс гидролокаторов бокового обзора предполагается разрабатывать на основе панорамного эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К, изготовленного совместно Таганрогским государственным радиотехническим университетом, КБ морской электроники «Вектор» и НПП «НЕЛАКС». Комплекс был разработан с участием автора и предназначен для работ на мелководье /3,19,57/.
Функционально комплекс состоит из нескольких подсистем, которые могут работать самостоятельно и в составе комплекса в зависимости от сигналов управления. К таким подсистемам можно отнести:
- эхолот, предназначенный для поиска рыбных скоплений, количественной оценки запасов и профилирования дна;
- два гидролокатора бокового обзора, предназначенные для съемки рельефа дна по правому и левому бортам судна и поиска и количественной оценки рыбных скоплений и одиночных рыб в стороне от судна;
- высокочастотный профилограф, предназначенный для точного профилирования рельефа дна;
- низкочастотный параметрический профилограф, предназначенный для профилирования придонных осадков;
- спутниковая навигационная система, и электронные карты, предназначенные для навигационных целей и отметок на картах мест рыбных скоплений и различных навигационных ситуаций;
- рабочая станция, предназначенная для управления комплексом, отображения на экране информации с различных подсистем;
- внутренняя сеть, предназначенная для обмена информацией между подсистемами.
Комплекс состоит из забортной части, генератора зондирующих импульсов (ГЗИ), приемника эхосигналов (ПЭС), рабочей станции, спутниковой навигации и электронных карт.
Забортная часть включает в себя антенну эхолота (А ЭЛ), антенны гидролокаторов бокового обзора правого борта (А ГБО П) и левого борта (А ГБО Л), антенну накачки параметрического профнлографа (А ПП ВЧ), которая является одновременно и антенной высокочастотного профнлографа и низкочастотную приемную антенну параметрического профнлографа (А ПП НЧ). Кроме того в забортной части размещаются датчики температуры и солености (tC, S700).
ГЗИ содержит излучающие тракты эхолота (ЭЛ), гидролокатора бокового обзора правого борта (ГБО П) и левого борта (ГБО Л), генераторы накачки параметрического профнлографа (ПП ВЧ1 и ПП ВЧ2).
ПЭС содержит приемные тракты эхолота (Пр ЭЛ), гидролокаторов бокового обзора правого (Пр ГБО П) и левого (Пр ГБО Л) бортов, высокочастотного профнлографа (Пр ПП ВЧ) и низкочастотного параметрического профнлографа (Пр ПП НЧ); четыре сигнальных процессора , предназначенных для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму и первичную обработку этих сигналов; интерфейс связи между различными частями комплекса; схему управления ; формирователь сигналов (Форм); схему временной автоматической регулировки усиления и преобразователя сигналов датчиков (ВАРУ и Д). Кроме того в ПЭС входит схема проверки параметров системы (Тест). Тракты и схемы связаны между собой линиями связи двух типов: сигнальными, представляющими собой витые экранированные пары, и управления по внутренней локальной сети и через соответствующие разъемы.
Концепция тренажера гидролокатора бокового обзора
Тренажер гидролокатора бокового обзора (ГБО) предполагается использовать для обучения в береговых условиях операторов-гидроакустиков работе с трактами ГБО панорамного эхолота-видеоплоттера пэв-к.
Основным назначением эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К является поиск и регистрация промысловых рыбных объектов на мелководье. Кроме того, он может также использоваться для поиска и регистрации на мелководье других подводных объектов как искусственных, так и естественного происхождения /58 -60/.
Таким образом, для имитации в тренажере подводной обстановки целесообразно ограничиться промысловыми районами с глубинами не превышающими 15 м. Для этой цели можно воспользоваться картографическими данными акватории Азовского моря, выбрав на ней ряд ограниченных участков с различными значениями средней глубины. Размещая на этих участках искусственным способом модели промысловых рыбных объектов и модели находящихся на дне неподвижных объектов, а также задавая тип грунта, можно формировать искусственные полигоны с произвольно изменяемыми наборами подводных объектов.
Размер полигона можно выбрать из следующих предпосылок: гидроакустические съемки с помощью ГБО обычно производят на прямых галсах, максимальная рекомендуемая для ПЭВ-К скорость судна 6 уз (для избегания пропусков целей), предполагаемая продолжительность тренировочного упражнения 1 час. Протяженность галсов выбирается обычно равной целому числу миль. Для шести галсов по 1 миле или трех галсов по 2 мили можно считать достаточным полигон в виде квадрата 2x2 морские мили.
Так как основным назначением тренажера ГБО является обучение операторов-гидроакустиков принципам расшифровки сонограмм ГБО, целесообразно создавать тренажер ГБО в виде автономного программного комплекса, используя только компьютерное оборудование рабочего места инструктора и двух компьютерных рабочих мест обучаемых, не зависящее от комплексного навигационно-промыслового тренажера. В программном обеспечении тренажера ГБО нецелесообразно использовать в процессе тренировки сложные модели глубоководных районов или морских портов, динамические модели управления судами большого водоизмещения, модели орудий рыболовства, модель судового радара, модели традиционных рыбопоисковых приборов - гидролокатора, эхолота и тралового зонда.
Для задания параметров движения судна достаточно использовать упрощенную компьютерную панель управления судном, обеспечивающую возможность оперативного изменения курса и скорости судна.
Структура аппаратных средств и программное обеспечение тренажера гидролокатора бокового обзора
Структура аппаратных средств тренажера ГБО построена по традиционной схеме: рабочее место инструктора и несколько рабочих мест обучаемых. В качестве компьютерных средств тренажера использованы персональные компьютеры (ПК), объединенные в одноранговую компьютерную сеть (рис. 5.1.). Обмен информацией между рабочими местами инструктора и обучаемых осуществляется по локальной компьютерной сети. Тренажер работает в реальном масштабе времени под управлением операционной системы семейства Windows.
- монитор инструктора, Ml -монитор для отображения сонограмм имитатора ГБО, М2 - монитор для системы визуализации, МЗ - монитор для работы с электронными картами.
Рассмотрим взаимодействие основных частей комплекса.
Рабочее место инструктора. Рабочее место инструктора представляет собой пульт инструктора, оборудованный персональным компьютером, монитором, клавиатурой и манипулятором мышь.
На компьютере пульта инструктора установлено программное обеспечение, обеспечивающее:
- создание и загрузку сценариев тренировки;
- загрузку модели полигона с моделями всех его объектов и окружающей среды;
- автоматическое управление моделями подвижных объектов (судов) в соответствии с принятыми алгоритмами их перемещений;
- возможность оперативного изменения параметров моделируемых объектов;
- управление процессом тренировки.
В общем случае на экране монитора пульта инструктора можно наблюдать изображение, представленное на рисунке 5.2.
Основную часть экрана занимает электронная карта выбранного для упражнения района. В верхней части экрана размещается заголовок программы и стандартные кнопки операционной системы Windows, используемые для масштабирования изображения. Ниже заголовка размещается горизонтальная панель с системным меню пульта инструктора. Ниже панели системного меню располагается панель инструментов, на которой размещены кнопки управления режимами работы пульта инструктора, и кнопки управления закладками для быстрой навигации по электронной карте.
