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. Поиск и классификация 78
5.5 Автокомпенсация систематических погрешностей 92
Заключение 95
Библиографический список
- Базовые принципы обработки данных
- Особенности конструкции антенного блока
- Алгоритмы обработки эхо-сигнала. Метод Прони
- Результаты моделирования
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:
1. 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 (55Л/А)0, 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 где Р — оценка мощности в направлении к; 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.
Одним из методов линейного предсказания является метод Прони. Этот метод был разработан достаточно давно и применён впервые для оценки параметров действительных затухающих экспонент [33]. Исследования последних десятилетий показали его эффективность и для оценки параметров комплексных экспонент. Применение обобщенного метода Прони для целей настоящей работы описано в третьей главе.
Особенности конструкции антенного 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 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 {Z„} 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.
Алгоритм Прони состоит из следующих подэтапов. На этом подэтапе определяется вектор Zv, представляющий собой комплексные коэффициенты полинома. Второй подэтап заключается в нахождении корней комплексного полинома:
Этот подэтап позволяет определить вектор корней Zr для полинома Ф(г). Существует набор типовых алгоритмов, как правило, итерационных, решающих эту задачу. Корни полинома суть парциальные фазы комплексных экспонент.
Целью третьего подэтапа является вычисление амплитудного вектора Прони Аг. Этот вектор находится из матричного уравнения: "+" означает эрмитово сопряжение.
Каждая компонента Аг представляет собой комплексную амплитуду цели, а направление на цель Dr, можно найти как Применив алгоритм к каждой выборке отсчётов каналов для всех моментов времени, можно определить параметры всех целей, расположенных в поле зрения.
В работе [33] подробно исследовано применение обобщённого метода Прони к обработке экспериментальных данных, представляющих собой сумму нескольких экспонент, в присутствии аддитивного некоррелированного шума, а также погрешностей, которые вносит аналого-цифровое преобразование. Подчеркнём несколько особенностей применения рассмотренного метода.
Порядок метода Прони означает максимально возможное количество экспонент, которое может быть определено, причём часть экспонент может соответствовать шумовым составляющим. С другой стороны, при повышении порядка размерность матриц и порядок полинома возрастают, а количество
слагаемых в суммах для определения элементов Рш и Av падает. Это приводит к тому, что при наличии шумовой составляющей в исходной выборке её влияние на элементы матриц возрастает с увеличением порядка метода. Это означает, что дисперсии оценок параметров также увеличатся.
В любом случае, требуется найти компромисс между возможностью выделить как можно большее количество целей и качеством оценки их параметров.
При решении нашей задачи в подавляющем большинстве случаев мы столкнёмся с пеленгованием двух целей, которые образуются при пересечении линией дна дуги окружности расходящегося волнового фронта. То есть, мы можем предположить, что при большом отношении сигнал/помеха оптимальным будет второй порядок метода Прони.
Это предположение подтверждается результатами моделирования. Модельный профиль дна имитировался несколькими сотнями точечных рассеивателей, которые располагались равномерно вдоль модельной линии (см. рис. 3.2.1). На рис. 3.2.2 и 3.2.3 приведены результаты обработки эхо-сигнала модельного профиля методами простого лучеформирования и методом Прони второго порядка. Очевидно, что метод Прони значительно лучше восстанавливает линию дна. На рис. 3.2.4 и 3.2.5 приведены результаты обработки реального эхо-сигнала записанного в северном море 32-х канальной антенной многолучевого эхолота. И в этом случае обработка методом Прони позволяет лучше выделить мелкие особенности рельефа.
Результаты моделирования
Технические характеристики МЭГ оценивались путём расчётов и моделирования на основе фактических значений параметров блоков изделия применительно к каждому режиму работы. Расчёты и моделирование проводились применительно к типовым (модельным) гидрологическим условиям: скорость звука 1500 м/с, солёность 35 промилле, донная поверхность — ровный илисто-песчаный грунт с коэффициентом обратного рассеяния минус 30 дБ, приведённая спектральная плотность внешних шумов в месте 1/9 расположения антенны не превышает 0.02 Па/Гц .
Такие условия являются типичными при моделировании работы гидроакустических комплексов надводных кораблей. Именно для таких условий рассчитываются паспортные характеристики устройств. Конечно, реальные условия могут быть и другими. Например, если судно при движении создаёт повышенные шумы, дальность действия изделия будет меньше; будут скорректированы и остальные параметры. Приведём основные результаты моделирования. Для разработанной антенной решётки при к.п.д. электроакустического преобразования 50% акустическая мощность излучения одного канала в импульсе должна быть 25 Вт и 10 Вт для ВЧ и НЧ диапазонов соответственно.
Исходя из этих величин, с учётом чувствительности каналов изделия при приёме рассчитаны основные параметры изделия для различных режимов работы, приведённые в разделе 4.3
Как уже отмечалось ранее, основные режимы работы изделия формируются программно. В частности, для каждого режима требуется своя диаграмма направленности (одна или несколько). Требуемые диаграммы направленности формируются с помощью амплитудно-фазовых коэффициентов, получаемых эмпирическим путём.
Основные принципы эмпирического подбора состоят в следующем. Ширина синфазной диаграммы изделия составляет 6-7 градусов. Для её расширения с целью обеспечения широкого сектора обзора необходимо ввести фазовые коэффициенты. Хорошие результаты получаются, если начальная фаза сигнала, формируемого в канале, меняется от центра к краю антенной решётки по параболическому закону. В этом случае мы как бы имитируем излучение сигнала дугой окружности (или частью цилиндра), а такая диаграмма при определённых условиях близка к равномерной в секторе, соответствующем угловому раствору дуги. Для уменьшения пульсаций и боковых лепестков в крайние каналы антенны вводились понижающие амплитудные коэффициенты.
Известно , что при работе в секторе 90 градусов сигнал с краёв сектора приходит ослабленным, поскольку расстояние до дна вдоль бокового луча больше в 1.4 раза. Это при прочих равных условиях (без учёта затухания звука в водной среде) приводит к двукратному ослаблению сигнала в крайних лучах по сравнению с центральным лучом. На рис.4.2.1 приведена диаграмма для работы в секторе 90 градусов, которая учитывает сказанное выше. На рис. 4.2.2-4.2.4 приведены диаграммы для других режимов работы. Также на каждой диаграмме приведён набор комплексных коэффициентов для каждого канала
Для исследования устойчивости диаграмм к погрешностям изготовления антенны, проведён расчёт диаграмм в предположении, что два канала антенны работают некорректно (на 25%) мощности. Соответствующие диаграммы показаны пунктиром. Ниже приведено описание функционирования и характеристики изделия в различных режимах.
В режиме ОЭ (синфазное излучение всеми каналами коротких тональных импульсов) приведенное к 1 м давление излучения на оси ДН должно составлять 160 кПа в ВЧ диапазоне и 60 кПа в НЧ диапазоне. Если учесть, что МЭГ в режиме ОЭ позволяет достоверно определять дистанцию до дна при отношении сигнал/помеха на входе 0.3 и более, то максимальная рабочая глубина должна составить 650 м для ВЧ диапазона и 800 м для НЧ диапазона. СКО оценки глубины составляет не более 1%.
При работе в режиме МЛЭ функционирование осуществляется на основной частоте — 155 кГц. Излучаются короткие импульсы с тональным заполнением. Ширина ДН по излучению в рабочей плоскости формируется фазовыми коэффициентами (задержками) и составляет примерно 100, вследствие чего приведённое давление излучения уменьшается до 40 кПа. Поскольку в данном режиме осуществляется высокоточная пеленгация доступных целей (участков дна) с СКО не более 0.3, отношение сигнал/помеха на входе должно составлять не менее 3. Максимальная рабочая дистанция в этом случае составляет 270 м, что соответствует глубине под килем около 200 м. При использовании функции последовательного обзора рабочий сектор осматривается последовательно узким лучом. Это позволяет расширить сектор обзора до 120 и увеличить рабочую дистанцию до 330 м, однако платой за это будет вынужденное снижение скорости движения судна для обеспечения полного покрытия.
