Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гидролокационные системы надводных кораблей 8
1.1 Основные классы гидролокационных устройств 8
1.2 Базовые принципы обработки данных 16
1.3 Постановка задачи работы 22
Глава 2. Принципы проектирования многоцелевого эхолота-гидролокатора. Особенности конструкции 23
2.1. Общие принципы проектирования изделия 23
2.2 Особенности конструкции антенного блока 26
2.3 Особенности конструкции электронного блока 32
Глава 3. Алгоритмы управления и обработки данных 38
3.1 Особенности алгоритма управления изделием 38
3.2 Алгоритмы обработки эхо-сигнала. Метод Прони 40
3.3 Алгоритмы постобработки 48
Глава 4. Технические характеристики многоцелевого эхолота-гидролокатора 50
4.1 Исходные данные для расчётов и моделирования 50
4.2 Результаты моделирования 51
4.3 Режимы функционирования изделия 57
Глава 5. Результаты стендовых и натурных испытаний 59
5.1 Условия и методики проведения испытаний 59
5.2 Испытания изделия в гидробассейне 60
5.3 Натурные испытания. Съёмка рельефа 64
5.4 Натурные испытания. Поиски классификация 78
5.5 Автокомпенсация систематических погрешностей 92
Заключение 95
Библиографический список 97
- Базовые принципы обработки данных
- Особенности конструкции электронного блока
- Алгоритмы обработки эхо-сигнала. Метод Прони
- Натурные испытания. Поиски классификация
Введение к работе
Бурное развитие электроники во второй половине XX века обусловило её определяющее влияние на все области науки и техники. В этом смысле, гидроакустика не является исключением. Если 30-50 лет назад функциональные возможности электрорадиоизделий (ЭРИ) во многом определяли облик гидроакустической аппаратуры в целом, то в настоящее время ситуация совершенно иная. На основе современных ЭРИ можно создавать компактные высоконадёжные многоканальные гидроакустические системы (ГАС) на основе фазированных антенных решёток, причём возможности ГАС лимитируются в основном конструктивными особенностями антенн, параметрами гидроакустических преобразователей, возможностями кабельной сети и другими факторами, не связанными с параметрами ЭРИ; могут быть реализованы практически любые алгоритмы управления и обработки данных, поскольку на несколько порядков выросли возможности вычислительных устройств [2, 3, 5,6].
На современном рынке гидролокационного оборудования надводных кораблей (НК) по-прежнему наиболее широко представлены традиционные устройства — однолучевые эхолоты различного назначения (ОЭ), многолучевые эхолоты (МЛЭ), гидролокаторы бокового обзора (ГБО). Такое разделение сложилось ещё в середине XX в., когда возможности электроники не позволяли создавать многофункциональные устройства с приемлемым соотношением цена/качество. Эта ситуация сохраняется и поныне, несмотря на то, что и ОЭ, и МЛЭ, и ГБО часто используются для решения одних и тех же задач (например, для съёмки рельефа морского дна) [8,27,37].
ОЭ являются самыми недорогими из обозначенных типов устройств; поэтому они широко распространены и имеют высокий уровень продаж не только в России, но и за рубежом. Средняя цена импортного ОЭ в России составляет 300-400 тыс. руб. Цена МЛЭ и ГБО на порядок выше. По всей видимости, этим и определяется их относительно слабое (по сравнению с ОЭ) распространение.
Основной круг задач, решаемых гидролокационным оборудованием НК, связан с прибрежной зоной (с глубинами до 500 м). Это поисковые, исследовательские, промерные, промысловые и другие задачи. Все перечисленные задачи сводятся к проблемам обнаружения, пеленгации и идентификации линии дна, а также различных объектов под водой [38, 43, 45]. Методы решения задач ОЭ, МЛЭ и ГБО различны. ОЭ определяет дистанцию до дна или подводного объекта вдоль одной оси (луча), как правило, ориентированной вертикально вниз. МЛЭ определяет дистанции вдоль множества лучей, расположенных равномерно в угловом секторе 90-150. Сектор ориентируют вниз и располагают в плоскости шпангоутов (поперёк направления движения НК). ГБО формирует светотеневую эхо-картину морского дна в секторе до 180, за исключением подкилевой области [8].
В процессе своего развития в конце XX века возможности ОЭ, МЛЭ и ГБО значительно возросли и стали значительно пересекаться. Так, ОЭ объединяют в группы по 5-20 и более единиц и создают многоканальные эхолоты (МКЭ), МЛЭ оснащают функцией формирования светотеневой картины, современные ГБО обладают возможностью оценки направления на объект. Также нельзя не отметить стремление некоторых разработчиков к комплексированию, т.е. к совместному применению ОЭ, МЛЭ и ГБО в различных сочетаниях для решения определённых задач [40,41, 42].
Анализируя функциональные возможности различных классов гидроакустических устройств, можно обнаружить значительный разрыв между сравнительно дешёвыми однолучевыми эхолотами и сложными системами на основе многолучевых эхолотов, т.е. в продукции ведущих производителей гидроакустического оборудования не представлен «средний класс» устройств, который в функциональном и ценовом плане занимал бы промежуточное положение между однолучевыми и многолучевыми эхолотами [36].
Более того, по всей видимости, мы можем говорить об объективной потребности в гидроакустическом устройстве, базирующемся на новых принципах и объединяющем функции и возможности ОЭ, МЛЭ и ГБО для решения задач в прибрежной зоне. Необходимым условием широкого применения устройства нового типа является приемлемое соотношение цена/качество. По оценкам автора, для обеспечения устойчивого спроса цена устройства при мелкосерийном производстве должна превышать цену ОЭ не более чем в три-четыре раза.
Целью настоящей работы является разработка и исследование возможностей многоцелевого эхолота-гидролокатора — компактного гидроакустического устройства нового типа для надводных кораблей на основе фазированной антенной решётки, сочетающего в себе возможности основных типов гидроакустического оборудования судов: промерного (однолучевого) эхолота, многолучевого эхолота и гидролокатора бокового обзора.
Для достижения поставленной цели автором использован ряд методов исследований:
Анализ современного уровня техники в части гидролокационного оборудования надводных кораблей (однолучевых эхолотов, многолучевых эхолотов, гидролокаторов бокового обзора).
Синтез конструктивных, системных, технико-экономических и других требований к многоцелевому эхолоту-гидролокатору.
Моделирование работы изделия, расчёт параметров.
4. Экспериментальное изучение опытного образца многолучевого эхолота-гидролокатора на стендах и в натурных условиях.
Научная новизна полученных результатов состоит в том, что: 1. Разработан и исследован многоцелевой эхолот-гидролокатор, обеспечивающий решение задач съёмки рельефа, поиска и классификации и сочетающий в себе возможности традиционных типов устройств — ОЭ, МЛЭ и ГБО.
2. Разработаны алгоритмы работы МЭГ на основе методов спектрального анализа с повышенной разрешающей способностью, позволяющие обеспечить высокую точность пеленгования в условиях ограниченной апертуры антенны МЭГ.
3. Разработаны программно-алгоритмические решения, позволяющие реализовать в МЭГ функции ОЭ, МЛЭ и ГБО.
4. Разработаны и реализованы алгоритмы постобработки, компенсирующие систематические погрешности при автономном применении устройства.
5. Разработана малогабаритная приёмоизлучающая фазированная антенная решётка, обеспечивающая решение задач МЭГ в двух частотных диапазонах,
6. Разработана управляющая электроника, генерирующая импульсы излучения для двух частотных диапазонов и осуществляющая усиление, фильтрацию и цифровую обработку эхо-сигналов.
7. Проведено экспериментальное исследование многоцелевого эхолота- гидролокатора в стендовых и натурных условиях в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.
В первой главе диссертационной работы рассмотрены особенности основных классов гидроакустических устройств надводных кораблей — однолучевого эхолота, многолучевого эхолота, и гидролокатора бокового обзора; проведён сравнительный анализ некоторых зарубежных и отечественных образцов; представлен обзор современных методов обработки гидролокационных сигналов, в том числе методов с высокой разрешающей способностью. На основе проведённого анализа сформулированы основные задачи работы.
Вторая глава посвящена обсуждению базовых принципов проектирования многоцелевого эхолота-гидролокатора, как устройства, предназначенного для широкого применения на надводных кораблях, а также описанию особенностей конструкции основных блоков изделия — антенного блока и электронного блока.
В третьей главе описаны алгоритмы, реализованные в программном обеспечении изделия. Особое внимание уделено алгоритму обработки данных, в частности, методу Прони, позволяющему реализовать повышенное угловое разрешение при ограниченной приёмной апертуре антенной решётки. В главе также представлены алгоритмы постобработки, реализующие возможности изделия в части компенсации систематических погрешностей.
В четвёртой главе изложены исходные данные для расчёта и прогнозирования основных технических характеристик изделия, методики расчёта и моделирования, а также результаты моделирования; приведено описание функционирования изделия в различных режимах.
В пятой главе описаны методики испытаний опытного образца МЭГ; приведены результаты испытаний изделия в гидроакустическом бассейне, а также в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.
Основные результаты работы опубликованы в периодических изданиях, обсуждались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах (Москва 2000 г., 2001 г., 2002 г.; Санкт-Петербург, 2000 и 2006 г; Бристоль 2000 г. ), а также на семинарах в Московском Государственном университете и Московском инженерно-физическом институте.
Базовые принципы обработки данных
Во всех современных гидролокационных системах надводных кораблей обработка данных относится к числу наиболее важных операций. В сочетании с акустическими преобразователями и системой формирования импульсов излучения она даёт возможность получить информацию о линии дна, его структуре, о придонных объектах, об объектах в толще воды и др. [14, 18]
В эксплуатационной документации большинства современных приборов алгоритмы обработки данных отражены очень слабо либо вовсе отсутствуют. Это неудивительно — программное обеспечение является ноу-хау фирмы-изготовителя. Однако, по косвенным признакам (по техническим характеристикам, по информации, отображаемой на мониторах), можно сделать определённые выводы.
Для однолучевых эхолотов в основе алгоритма в большинстве случаев лежит пороговый амплитудный анализ (с учётом потерь на распространение). Дистанцию определяют по фронту порции эхо-сигнала максимальной амплитуды (из превысивших порог). На мониторе цветом отображают амплитуду эхо-сигнала в зависимости от времени в ретроспективе. На рис. 1.2.1 приведено такое изображение. Хорошо выделяется линия дна; видны придонные объекты (вероятнее всего, рыба); внизу хорошо заметно вторичное эхо (переотражение, так называемое «второе дно»).
Классические гидролокаторы бокового обзора формируют светотеневую картину морского дна вправо-влево от траектории движения судна, т.е. отображают амплитуду зарегистрированного эхо-сигнала с поправкой на потери при распространении (см.рис. 1.2.2).
Особый интерес представляют методы обработки данных многолучевых эхолотов, поскольку в этом случае мы имеем дело с обработкой сигналов многоканальной фазированной антенной решётки. Как правило, основой алгоритмов обработки данных МЛЭ является лучеформирование.
Обычно для решения этой задачи с помощью временных задержек или дискретного преобразования Фурье формируют большое количество лучей, ширина которых (0.5-2) соответствует апертуре А приёмной антенны (55Х/А), а затем вдоль каждого луча определяют дальность аналогично однолучевому эхолоту (см. рис. 1.2.3). Среди недостатков такого метода можно выделить следующие. Во-первых, для того, чтобы отсчёты глубин были независимыми, приёмная антенна должна иметь большое количество каналов, расположенных с шагом не более, чем А/2, а это неизбежно ведёт к увеличению габаритных размеров антенны и усложнению электронной системы. Во-вторых, наличие ложных целей (сильной объёмной реверберации вблизи поверхности, вторичного эхо-сигнала и др.), особенно в крайних лучах, может сделать отсчёты глубин недостоверными. Помимо сказанного, в этом случае необходимо учитывать явление Гиббса — наличие боковых лепестков (см. также рис. 3.2.2, 3.2.4) [1,7 ].
В радиолокации и гидролокации (особенно пассивной) хорошие результаты дают методы с высокой разрешающей способностью: метод Кейпона, метод максимальной энтропии, метод Писаренко и другие [11, 14, 15,]. Эти методы базируются на манипуляциях с корреляционной матрицей сигнала.
Рассмотрим метод Кейпона [50, 52]. Он основан на формировании корреляционной матрицы сигналов каналов антенны (при этом должно производиться усреднение на некотором интервале времени), её обращении и фазировании в соответствии с выражением D — фазирующий вектор для направления к; R — корреляционная матрица сигналов. Эффективность этого и других методов с высокой разрешающей способностью, непосредственно применённых к сигналам антенной решётки, напрямую зависит от длительности накопления сигнала. В нашем случае для обеспечения стационарности длительность накопления не может быть больше длительности излучённого импульса, а увеличение длительности импульса излучения неизбежно приведёт к ухудшению разрешения по дальности.
Интерес для нас представляют методы обработки сигналов антенных решёток, не связанные с накоплением по времени. К таким методам, например, относятся методы линейного предсказания, которые при достаточно большом отношении сигнал/шум позволяют эффективно извлекать частоты синусоид с близкими волновыми числами из выборок малого объёма [51]. Понятно, что задача одновременной оценки направления прихода эхо-сигналов на антенную решётку с ограниченной апертурой и относительно небольшим количеством преобразователей — это та же самая задача.
Казалось бы, для оценки параметров синусоид можно применить метод наименьших квадратов, необходимо только чтобы количество независимых отсчётов в выборке превосходило количество параметров синусоид, которые нужно оценить. Однако, для решения задачи в такой постановке потребуется решить систему нелинейных уравнений большой размерности, а реализуемые на практике методы решения таких задач отсутствуют.
Методы линейного предсказания позволяют свести задачу одновременного оптимального оценивания параметров синусоид к двум последовательным субоптимальным процедурам — оценке частот синусоид, а затем — оценке амплитуд для синусоид с известными частотами.
Особенности конструкции электронного блока
Выбор рациональных параметров, определяющих облик изделия, может быть сделан с использованием методов системного анализа итерационным способом «синтез через анализ» [32]. Реализация данного подхода предполагает применение системы моделей, связывающих эффективность решения целевых задач, а также эргономические, маркетинговые и другие показатели с характеристиками облика (параметрами) нашего изделия. Поскольку целью работы является создание устройства для массового применения на надводных кораблях, то на первый план выступают маркетинговые и эргономические критерии.
В настоящее время на судах наиболее широко применяются однолучевые эхолоты. По-видимому, причиной этому является не только низкая цена. Очень важно то, что такой эхолот довольно прост в использовании; как правило, для его эксплуатации не требуется специального обучения персонала. Опыт эксплуатации однолучевых эхолотов насчитывает уже много десятков лет; на основании этого опыта, например, разработаны методы классификации донного грунта на основе соотношения длительностей и амплитуд первичного и вторичного эхо-сигнала.
Также нельзя не отметить высокую достоверность данных ОЭ при автоматизированном измерении глубины. Известно, что и МЛЭ, и ГБО, как и ОЭ, имеют возможность определять глубину под килем; вопрос состоит в том, что параметры МЛЭ и ГБО (диаграммы направленности, период циклов излучения-приёма и др.) далеки от оптимальных для режима ОЭ. Коэффициент концентрации антенны ОЭ значительно выше, чем у МЛЭ и ГБО, поскольку ДН у ОЭ значительно уже, значит, ОЭ может обеспечить большую чувствительность по излучению и по приёму при той же акустической мощности, излучаемой с единицы поверхности антенны. ДН по излучению и приёму у ОЭ перемножаются, значит, итоговый уровень боковых лепестков у ОЭ значительно ниже, что свидетельствует о большей помехоустойчивости.
Таким образом, отправной точкой для проектирования МЭГ должен служить именно однолучевой эхолот. При этом желательно, чтобы МЭГ, выступая в качестве ОЭ, не просто имел режим измерения глубины под килем, а фактически дублировал ОЭ с функциональной точки зрения (при безусловном наличии широкого спектра новых возможностей). Это позволит обеспечить полную преемственность, которая необходима для успешного замещения существующих ОЭ.
Проектирование МЭГ следует начать с деления изделия на функционально законченные единицы — конструктивные блоки.
Особо стоит отметить, что иногда функционально различные блоки конструктивно объединяют. Например, в МЛЭ Reson-8101 БА и БЭ образуют один моноблок; в ОЭ E-Sea Sound 206 (ф. Мариматек) пульт оператора (БУ) объединён с приёмопередатчиком (БЭ). Объединение БА и БЭ позволяет максимально приблизить гидроакустические преобразователи к приёмопередающим модулям и исключить из состава ГЛС соединительный кабель, что особенно важно для многоканальных систем и, помимо прочего, снижает потери при излучении и уровень помех при приёме. С другой стороны, с точки зрения надёжности в этом случае конструктивно объединены блоки с существенно отличающимися уровнями надёжности (интенсивность отказов
БЭ, как правило, намного выше, чем БА) и надёжность изделия в целом лимитируется надёжностью БЭ. Это ограничивает возможности стационарного (встроенного в корпус судна) применения такого прибора. Что же касается размещения органов управления на БЭ, то это ограничивает возможности размещения устройства, поскольку управление прибором осуществляется из рубки (как правило, расположенной на верхней палубе), БА располагается внизу, а антенный кабель не может быть слишком длинным.
Таким образом, для обеспечения надёжности, универсальности, а также технологичности, ремонто- и контролепригодности МЭГ следует разделить на три функциональные единицы: антенную систему (или антенный блок — БА) с антенным кабелем, приёмо-передающее устройство с процессором (или электронный блок — БЭ) и пульт оператора (или блок управления — БУ). Такое деление представляется наиболее оптимальным, поскольку в случае стационарного использования БА может монтироваться в корпус судна и обслуживаться при очередном регламентном осмотре судна в сухом доке; БЭ может быть размещён в любом нежилом помещении вблизи места крепления БА, при этом БУ может размещаться в любом удобном месте судна, т.к связь БУ и БЭ может быть осуществлена по локальной сети Ethernet.
С точки зрения системного проектирования очевидно, что одноканальная система не позволяет определить направление прихода эхо-сигнала, т.е. решить задачу определения местоположения цели. Для решения такой задачи необходима фазированная антенная решётка (многоканальная, как в МЛЭ), занимающая, по возможности, всю доступную апертуру.
Таким образом, при проектировании антенны многоцелевого эхолота-гидролокатора перед нами стоит непростая задача — разместить фазированную антенную решётку в конструктивном блоке, габаритно-присоединительные размеры которого соответствовали бы антенне однолучевого эхолота.
При проектировании антенны МЭГ за основу взят внешний облик антенны ОЭ E-Sea Sound 206 (ф. Мариматек). В блоке с аналогичными габаритно-присоединительными размерами размещена 16-канальная фазированная антенная решётка. Внешний вид антенного блока приведён на рис.2.2.2.
Структура и вид рабочей поверхности антенной решётки до заливки компаундом приведены на рис.2.2.1. Основу антенной решётки многоцелевого эхолота-гидролокатора составляют 16 составных преобразователей, расположенных эквидистантно вдоль прямой в плоскости шпангоутов. Каждый преобразователь состоит из четырёх пьезоэлементов, соединённых параллельно. Размеры пьезоэлемента таковы, что он имеет две резонансные частоты ниже 200 кГц. Частотная зависимость импеданса составного преобразователя представлена на рис. 2.2.3. Таким образом, МЭГ может функционировать в двух частотных диапазонах: верхнем (145-165 кГц) и нижнем (80-90 кГц). При моделировании преобразователь может быть описан эквивалентной схемой, приведённой на рис. 2.2.4 [10]. Параметры элементов схемы определяются видом резонансной кривой вблизи резонансной частоты. Например, параметр Яд соответствует значению действительной части полного импеданса на резонансной частоте [19] . В нашем случае этот параметр составляет 700 Ом для верхнего диапазона и 1800 Ом для нижнего диапазона.
Алгоритмы обработки эхо-сигнала. Метод Прони
В этой главе описаны алгоритмы, реализованные в программном обеспечении многоцелевого эхолота-гидролокатора. Особое внимание уделено алгоритму обработки данных, в частности, методу Прони, позволяющему реализовать повышенное угловое разрешение при ограниченной приёмной апертуре антенной решётки. В главе также представлены алгоритмы постобработки, реализующие возможности изделия в части компенсации систематических погрешностей.
Методы управления изделием базируются на тех же основных принципах, что и большинство современных гидролокационных приборов НК.
Рассмотрим некоторые особенности алгоритма управления МЭГ. Наличие трёх режимов работы и возможность их переключения и изменения параметров, как по команде оператора, так и автоматически позволяет адаптивно варьировать параметры и режимы в зависимости от изменения внешних условий (глубина под килем, коэффициент обратного рассеяния грунта, уровень и характер шумов, поглощение звука в воде и др.). Например, при небольших глубинах возможно адаптивное снижение напряжения питания в усилителях мощности до уровня, позволяющего обеспечить требуемые точностные характеристики. При этом экономится ресурс, улучшаются показатели надёжности изделия. При высоком уровне помех возможно адаптивное уменьшение сектора обзора или переход к последовательному обзору сектора с выдачей рекомендаций по снижению скорости движения судна. При изменении глубины или других внешних параметров в процессе съёмки или поиска возможно автоматическое переключение диапазонов. В принципе, автоматический режим работы позволяет снизить до минимума вмешательство оператора, что значительно облегчает эксплуатацию и снижает квалификационные требования к обслуживающему персоналу.
Важной частью алгоритма управления является формирование импульсов излучения, как в части огибающей и заполнения, так и в части пространственного распределения поля.
Для решения наших задач мы использовали короткие тональные импульсы, поскольку, чем меньше длительность импульса, тем выше точность определения глубины и тем выше точность определения пеленга, так как меньше размер озвученного пятна на дне (см. рис. 3.2.1). Методы, связанные с излучением и последующим сжатием длинных частотно модулированных или кодированных импульсов следует использовать с осторожностью, поскольку помимо чисто аппаратурных сложностей (значительно уменьшается скважность излучения, возрастают требования к ППУ) могут возникнуть алгоритмические — нужно будет учитывать явление Гиббса (боковые лепестки) во временной области [15].
Электронная система и антенна МЭГ позволяют формировать короткие импульсы длительностью до 0.2 мс в нижнем диапазоне и до 0.1 мс в верхнем диапазоне, что позволяет обеспечить требуемое разрешение по дистанции и углу. Пространственные характеристики излучения (требуемые диаграммы направленности) формируются с помощью массивов амплитудно-фазовых коэффициентов. Для каждой требуемой диаграммы направленности эмпирическим способом [48] подобран соответствующий набор коэффициентов, так чтобы реальная диаграмма направленности была наиболее близка к требуемой. Вид диаграмм направленности для различных режимов и результаты моделирования приведены в четвёртой главе.
В алгоритме обработки эхо-сигналов можно выделить этапы предварительной, первичной и вторичной обработки, а также постобработку.
На этапе предварительной обработки осуществляются усиление, аналого-цифровое преобразование, цифровая фильтрация и формирование комплексной огибающей [13] для каждого из 16 каналов. В результате обработки в каждый момент времени (с тактом 64 мкс) формируется выборка комплексных отсчётов {Z„} (n=l,2..N, N=16).
На следующем этапе производится пространственная обработка сигнала. Анализируя выборку комплексных отсчётов, мы предполагаем, что антенна регистрирует сигнал от одной или нескольких точечных целей в присутствии некоррелированного шума. В этом случае выборка отсчётов комплексной огибающей {Zn} представляет собой сумму нескольких комплексных экспонент. Одним из методов, позволяющих непосредственно определить параметры этих экспонент (парциальные амплитуды и фазы, или, что то же самое, амплитуды и пеленги возможных целей), является метод Прони.
Натурные испытания. Поиски классификация
В этой главе описаны алгоритмы, реализованные в программном обеспечении многоцелевого эхолота-гидролокатора. Особое внимание уделено алгоритму обработки данных, в частности, методу Прони, позволяющему реализовать повышенное угловое разрешение при ограниченной приёмной апертуре антенной решётки. В главе также представлены алгоритмы постобработки, реализующие возможности изделия в части компенсации систематических погрешностей.
Методы управления изделием базируются на тех же основных принципах, что и большинство современных гидролокационных приборов НК.
Рассмотрим некоторые особенности алгоритма управления МЭГ. Наличие трёх режимов работы и возможность их переключения и изменения параметров, как по команде оператора, так и автоматически позволяет адаптивно варьировать параметры и режимы в зависимости от изменения внешних условий (глубина под килем, коэффициент обратного рассеяния грунта, уровень и характер шумов, поглощение звука в воде и др.). Например, при небольших глубинах возможно адаптивное снижение напряжения питания в усилителях мощности до уровня, позволяющего обеспечить требуемые точностные характеристики. При этом экономится ресурс, улучшаются показатели надёжности изделия. При высоком уровне помех возможно адаптивное уменьшение сектора обзора или переход к последовательному обзору сектора с выдачей рекомендаций по снижению скорости движения судна. При изменении глубины или других внешних параметров в процессе съёмки или поиска возможно автоматическое переключение диапазонов. В принципе, автоматический режим работы позволяет снизить до минимума вмешательство оператора, что значительно облегчает эксплуатацию и снижает квалификационные требования к обслуживающему персоналу.
Важной частью алгоритма управления является формирование импульсов излучения, как в части огибающей и заполнения, так и в части пространственного распределения поля.
Для решения наших задач мы использовали короткие тональные импульсы, поскольку, чем меньше длительность импульса, тем выше точность определения глубины и тем выше точность определения пеленга, так как меньше размер озвученного пятна на дне (см. рис. 3.2.1). Методы, связанные с излучением и последующим сжатием длинных частотно модулированных или кодированных импульсов следует использовать с осторожностью, поскольку помимо чисто аппаратурных сложностей (значительно уменьшается скважность излучения, возрастают требования к ППУ) могут возникнуть алгоритмические — нужно будет учитывать явление Гиббса (боковые лепестки) во временной области [15].
Электронная система и антенна МЭГ позволяют формировать короткие импульсы длительностью до 0.2 мс в нижнем диапазоне и до 0.1 мс в верхнем диапазоне, что позволяет обеспечить требуемое разрешение по дистанции и углу. Пространственные характеристики излучения (требуемые диаграммы направленности) формируются с помощью массивов амплитудно-фазовых коэффициентов. Для каждой требуемой диаграммы направленности эмпирическим способом [48] подобран соответствующий набор коэффициентов, так чтобы реальная диаграмма направленности была наиболее близка к требуемой. Вид диаграмм направленности для различных режимов и результаты моделирования приведены в четвёртой главе.
В алгоритме обработки эхо-сигналов можно выделить этапы предварительной, первичной и вторичной обработки, а также постобработку.
На этапе предварительной обработки осуществляются усиление, аналого-цифровое преобразование, цифровая фильтрация и формирование комплексной огибающей [13] для каждого из 16 каналов. В результате обработки в каждый момент времени (с тактом 64 мкс) формируется выборка комплексных отсчётов {Z„} (n=l,2..N, N=16).
На следующем этапе производится пространственная обработка сигнала. Анализируя выборку комплексных отсчётов, мы предполагаем, что антенна регистрирует сигнал от одной или нескольких точечных целей в присутствии некоррелированного шума. В этом случае выборка отсчётов комплексной огибающей {Zn} представляет собой сумму нескольких комплексных экспонент. Одним из методов, позволяющих непосредственно определить параметры этих экспонент (парциальные амплитуды и фазы, или, что то же самое, амплитуды и пеленги возможных целей), является метод Прони.
