Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор состояния и перспектив развития акустической океанотехники, применяемой в гидрофизических измерениях. Постановка задач 15
1.1. Технические средства и методы акустической томографии морской среды 15
1.2. Технические средства передачи информации по гидроакустическому каналу 21
Выводы и постановка задач на исследование 31
Глава 2. Гидроакустические инструментальные средства для зондирования океана сложными фазоманипулированными сигналами 34
2.1. Акустико-гидрофизический комплекс для исследования и мониторинга динамики и структуры водных масс в Японском море . 34
2.1.1. Методические основы для разработки комплекса 34
2.1.2. Формирование М-последовательностей и их свойства 36
2.1.3. Модуляция с помощью псевдослучайных последовательностей 41
2.1.4. Излучающие системы 44
2.1.5. Приемные системы 47
2.1.6. Электронные блоки и системы акустико-гидрофизического комплекса 49
2.1.6.1. Обзор современной элементной базы 50
2.1.6.2. Генератор сложных фазоманипулированных сигналов 54
2.1.6.3. Система единого времени 59
2.1.6.4. Корреляционный приемник 65
2.1.6.5. Алгоритм вычисления корреляционной функции 68
2.2. Система передачи информации по гидроакустическому каналу 72
2.2.1. Методические основы разработки системы передачи информации 72
Выводы по главе 77
Глава 3. Результаты экспериментальной апробации технических решений по разработке систем акустической томографии и звукоподводной связи 78
3.1. Эксперимент по акустической томографии в Японском море 78
3.2. Эксперименты по звукоподводной связи в Японском море 83
3.2.1. Результаты апробации систем звукоподводной связи в июне 2005 года 84
3.2.2. Результаты апробации систем звукоподводной связи в августе 2006 года 90
Выводы по главе 95
Заключение 97
Литература 101
- Технические средства передачи информации по гидроакустическому каналу
- Электронные блоки и системы акустико-гидрофизического комплекса
- Методические основы разработки системы передачи информации
- Результаты апробации систем звукоподводной связи в июне 2005 года
Введение к работе
Освоение пространств и ресурсов мирового океана - одно из главных направлений развития мировой цивилизации в третьем тысячелетии. С этих слов начинается Новая Морская Доктрина Российской Федерации, утвержденная президентом РФ 27.07.2001 г.
В настоящее время наиболее актуальными являются исследования антропогенного и естественного воздействия на окружающую среду, климатообразования, возможностей прогнозирования природных катаклизмов. Мировой океан играет огромную роль в жизни всей биосферы планеты. Покрывая большую часть поверхности Земли, сложно устроенный и богато населенный живыми организмами, океан активно участвует в процессах функционирования живой оболочки планеты. Поэтому существует острая необходимость изучения и выявления закономерностей происходящих явлений для достижения глубокого понимания и возможности реализации эффективного контроля и воздействия в интересах страны и человечества в целом. Результаты исследований в значительной мере зависят от качества применяемых технических средств.
В связи с изменением геополитической и экономической ситуации в нашей стране изменилась концепция глобального мониторинга Мирового океана. На настоящий момент с учетом реальных возможностей нашей страны и ее национальных интересов, сформулирован ряд основных задач, которые изложены в ФЦП «Мировой океан». В ней предполагается совершенствование методологии проведения океанологических исследований в океане, предусматривающее переход от глобального к региональному мониторингу приоритетных районов Мирового океана и окраинных морей. Исходя из этого, исследование и мониторинг динамики и структуры вод Японского моря, на побережье которого сосредоточены крупные населенные пункты, промышленные и военные объекты России, Японии и Кореи, имеет огромное значение.
Современная тенденция проведения исследований предполагает снижение объемов морских экспедиционных рейсов и возрастание роли долговременных автономных буйковых станций; комплексное использование системы океанологического наблюдения, включающего судовые, авиационно-космические и автономные подводные станции и аппараты.
В настоящее время можно утверждать, что долговременный мониторинг с применением измерительных многофункциональных автоматизированных комплексов с большим сроком автономности становится основным средством изучения водной среды. Но следует отметить, что только массовое применение автономных средств позволит осуществить оперативный контроль и мониторинг акваторий океана.
Подобному применению автономных средств препятствует фактор, обусловленный высокими затратами на закупку, развертывание и последующую эксплуатацию аппаратуры, а также специфика условий эксплуатации автономной аппаратуры, обусловленная необходимостью длительного функционирования в тяжелых условиях. При этом отсутствие доступа к аппаратуре, практически полностью исключает возможность ее профилактического осмотра и последующего ремонта.
Необходимым условием массового применения автономных средств является низкая стоимость производства, транспортировки, развертывания и последующей эксплуатации средств автономного мониторинга, а также высокая надежность их долговременного функционирования в тяжелых эксплуатационных условиях. Ситуация, сложившаяся в данной области показывает, что затраты связанные с обозначенными выше особенностями при прочих равных условиях могут быть значительно снижены за счет существенного уменьшения массы и габаритов аппаратуры и ее энергопотребления, что может быть достигнуто благодаря использованию современной элементной базы, прогрессивных технологий, оригинальных конструктивных и схемотехнических решений. Поскольку основные характеристики в значительной мере зависят от применяемой элементной базы,
6 необходимо отметить, что только за прошедшие десятилетия развития микроэлектроники произошло существенное улучшение таких характеристик технических средств, как вес, габариты, энергопотребление, производительность, надежность и стоимость.
Акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде, бесспорно, относятся к наиболее эффективным технологиям, которые существенно дополняют и расширяют возможности контактных методов измерений океанологических параметров. Это подтверждается активностью в проведении теоретических и экспериментальных исследований возможности применения методов акустической томографии в рамках таких международных программ как АТОС (Акустическая термометрия океанского климата), Arctic АТОС, GOOS (Глобальная система наблюдения за океаном). Примерами применения акустических методов могут служить как долговременные измерения шумов океана в интересах пассивного мониторинга неоднородностей морской среды на шельфе океана, исследования сигналов, излучаемых морскими организмами в целях определения промысловой численности, активно-пассивный мониторинг тепло- и массообмена через проливные зоны для прогноза глобальных изменений климата на планете и т.п. Перечисленные примеры охватывают далеко не все направления возможного применения акустического мониторинга гидрофизических процессов в океане, но даже они наглядно демонстрируют активный научный и практический интерес к таким технологиям. К сожалению, необходимо констатировать, что, несмотря на паритет с зарубежными исследователями в области теоретических аспектов акустической томографии, экспериментальная апробация и внедрение в океанологическую практику новейших методов и средств акустического зондирования морской среды у нас в стране существенно отстают. Недостаточное внимание уделяется также и развитию технических средств для исследований в данной области знаний, без совершенствования которых невозможно более глубокое понимания процессов, происходящих в морской среде. При разработке гидроакустических средств необходимо учитывать не
только современные требования к этим видам техники, но и тенденции их развития на перспективу. Они достаточно хорошо прослеживаются в последних разработках ведущих зарубежных фирм, работающих в аналогичных областях. Под общей тенденцией развития гидроакустических средств следует понимать увеличение надежности и долговечности аппаратуры, а также снижения стоимости изготовления и эксплуатации систем.
Обнадеживающие перспективы дальнейшего развития технических средств исследования и мониторинга морских акваторий открывается с применением гидроакустического канала для передачи информации и команд управления на измерительные системы различного применения. Подводная акустическая связь в настоящее время активно применяется для мониторинга окружающей среды с помощью автономных датчиков, дистанционного управления обитаемыми и необитаемыми аппаратами, подводного позиционирования, зондирования морской среды в системах акустической томографии. Достижения при передаче информации по гидроакустическому каналу связи тесно связаны с разработкой и использованием современных аппаратных и программных средств, реализующих алгоритмы обработки с учетом собственных характеристик канала.
Актуальность исследований. Одной из первоочередных и важнейших задач, стоящих в настоящее время перед специалистами подводной акустики, является приоритетное развитие материально-технической и методологической базы для дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов. Правильный выбор комплекса используемых методов и средств измерения для решения проблем технической океанологии, обеспечение научной и технической перспективы развития и эффективности его использования является одной из важнейших современных научно-технических проблем.
В данной работе приведены результаты исследований и технических решений по проблеме практического применения акустического зондирования
для создания систем мониторинга динамики и структуры вод в океанской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу.
Актуальность решаемой в данной работе проблемы определяется тем, что акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде относятся к наиболее эффективным технологиям, применение которых позволяет комплексно решать вопросы получения и передачи в центры сбора океанологической информации, существенно дополнив и расширив возможности контактных методов измерений.
В работе рассматриваются технические решения, направленные на развитие и повышение эффективности гидроакустических методов исследований и мониторинга океанологических процессов. Разработанные технические средства и методы могут быть использованы для решения актуальных проблем прикладной гидроакустики и гидрофизики, а именно:
разработка мобильных систем дистанционного зондирования морской среды с передачей гидрофизической информации по гидроакустическому каналу;
разработка технических решений для создания низкочастотных систем звукоподводной связи и передачи информации на сотни километров. Существенным является то, что экспериментально обоснованная в
многолетних натурных исследованиях эффективность разработанных технических средств и методов позволяет прогнозировать их использование для решения актуальных проблем и в других областях прикладной гидроакустики, не проанализированных подробно (например, для решения задач обороны страны, для охраны заповедников и морских границ, для прогноза миграций и обнаружения промысловых биологических объектов). Акты внедрения материалов диссертации в научных разработках различных организаций страны (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, ОАО «Дальприбор», СПП при Президиуме ДВО РАН) свидетельствуют об их успешном использовании.
Цель работы и задачи исследования
Цель - разработка технических средств и методик для зондирования морской
среды сложными фазоманипулированными сигналами типа М-
последовательностей и исследование возможностей их применения в задачах
звукоподводной связи и акустической томографии.
Задачи:
разработка и экспериментальная апробация систем генерации и излучения сложных фазоманипулированных сигналов;
разработка и экспериментальная апробация систем приема и обработки акустических сигналов типа М-последовательностей;
экспериментальные исследования гидроакустического канала передачи информации в Японском море;
экспериментальная апробация разработанных методик и средств для исследования динамики и структуры вод на шельфе Японского моря методами акустической томографии.
Научная новизна
Работа содержит новые научные результаты по разработке и апробации в натурных условиях новых способов и технических средств акустического зондирования морской среды для комплексного решения задач акустической томографии океана и звукоподводной связи. Практически все технические решения систем излучения, приема и обработки в реальном масштабе времени сигнальной информации могут быть использованы и в системах томографической диагностики морской среды и для звукоподводной связи.
Впервые в отечественной практике, осуществлена высокоскоростная передача информации по гидроакустическому каналу с когерентным суммированием акустической энергии пришедшей по различным лучевым траекториям на дистанции до 200 миль
Новизна полученных результатов подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники и опубликованием в авторитетных отечественных и зарубежных изданиях.
Научная достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном на протяжении 7 лет в трех морских и шести береговых экспедициях. Достоверность полученных данных обусловлена применением апробированных методик измерений, тщательной калибровкой приемных и излучающих систем, повторяемостью результатов многократных экспериментов и согласованностью экспериментальных и теоретических оценок.
Практическая значимость диссертации определяется разработкой современных акустических приборов и методов, применение которых позволяет решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики. В частности, решены имеющие большое практическое значение задачи генерации, излучения, приема и обработки сложных фазоманипулированных сигналов для создания систем акустической томографии и передачи информации на расстояния в сотни километров. Результатом этих решений стала разработка технических средств, обладающих новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований динамики и структуры вод в Японском море. Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при выполнении задач, поставленных в ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ и ДВО РАН, а также внедрением разработок во многих организациях Дальнего Востока. Успешное применение приемно-излучающих систем и методов акустического зондирования морской среды было осуществлено при проведении совместных исследований в Японском море в рамках американо-российско-корейского проекта JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment). Технические и теоретические наработки в вопросах передачи информации по
11 гидроакустическому каналу позволили выиграть конкурс на проведение исследований по оборонной тематике.
Публикации и апробация работы. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 23 работах.
Изложенные в диссертации результаты докладывались на Международном симпозиуме по акустической томографии и акустической термометрии (Токио, 1999), на Международной научно-технической конференции ОКЕАН-99, (Сиэтл, 1999), на Международной рабочей группе по акустической томографии (Нижний Новгород, 1999), на VII региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Кумамото, Япония, 2000), на конференции по акустической океанографии (Саутхемптон, Англия, 2001), на V международной конференции по теоретической и вычислительной акустике (Пекин, КНР, 2001), на XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001), на X школе-семинара акад. Л.М. Бреховских, (Москва, 2004) ,на XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), на семинаре акад. Л. М. Бреховских, совмещённой с XVII сессией Российского Акустического Общества (Москва, 2006), на IX региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Сеул, Ю Корея, 2006).
Личный вклад автора. Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате разработки технических решений и натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН. Автор возглавлял экспедиции на НИС «Луговое» в 2005, на ПМШ «Светлана» в 2006 году и береговые экспедиции в 2000 - 2002 годах. Лично автором выполнялись разработка, изготовление и испытание в натурных условиях механических и электронных блоков приемных и излучающих систем. Основные технические решения, вошедшие в диссертацию, получены автором.
На защиту выносятся:
Разработанные и экспериментально апробированные технические решения по генерации, излучению, приему и обработке сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей и результаты исследований возможностей их комплексного применения в задачах звукоподводной связи и акустической томографии динамики и структуры водной среды.
Экспериментальные результаты передачи информации по гидроакустическому каналу с когерентным суммированием акустической энергии пришедшей по различным лучевым траекториям.
Работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели и задачи, обоснована ее актуальность, научная новизна, достоверность выводов и практическая значимость.
В первой главе проводится обзор отечественной и зарубежной литературы по проблемам акустической томографии динамики и структуры водной среды и передачи информации по гидроакустическому каналу. В первом подразделе анализируются результаты экспериментальных и теоретических исследований возможностей применения дистанционных акустических методов для измерения и мониторинга температурных и соленосных режимов на акваториях различной протяженности, морских течений, приливов и внутренних волн. Рассмотрены современные подходы отечественных и зарубежных специалистов к технической и методической реализации томографических измерений. Во втором подразделе приводится анализ литературных источников, посвященных проблеме передачи информации по гидроакустическому каналу. Данная проблема связана с решением двух основных задач подводной гидроакустики. Это, во-первых, обеспечение звукоподводной связи и передачи команд управления на морские объекты оборонного назначения и, во-вторых, повышение эффективности томографического и океанологического оборудования путем передачи измеренной информации по гидроакустическому каналу в центры сбора и
анализа. Особый интерес представили экспериментальные работы Коданева и Захарова по передаче информации на расстояния в сотни километров и материалы научной конференции по звукоподводной связи 2005 года в Волгограде, в которых представлены последние достижения отечественных специалистов в этой области.
Во второй главе приведены результаты методических и технических решений, направленных на создание систем мониторинга динамики и структуры вод в океанской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу с применением акустического зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами.
В подразделе 2.1 представлено описание акустико-гидрофизического комплекса, разработанного для мониторинга глобальных изменений полей температур и течений на шельфе и в глубоководной части Японского моря и передачи информации с помощью акустических методов. Подраздел является основным в квалификационной работе, т.к. здесь приведены результаты технических разработок, которые могут применяться в системах томографического мониторинга и звукоподводной связи, а при необходимости комплексироваться. При разработке упор был сделан на применение в мелководных районах донных точечных приемно-излучающих систем. Это актуально для эффективной и надежной работы комплекса в районах с интенсивным рыболовством и сильными течениями.
В подразделе 2.2 предложен оригинальный способ передачи информации по гидроакустическому каналу, основанный на применении сложных фазоманипулированных сигналов для зондирования морской среды с последующим вычислением взаимной корреляционной функции принятого и излученного сигналов.
В третьей главе представлены методики и результаты применения разработанных технических средств в задачах акустической томографии и звукоподводной связи.
В подразделе 3.1 в качестве примера приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования и взаимодействия гидроакустических и температурных полей в мелком море на примере шельфовой зоны Японского моря, демонстрирующие возможности дистанционных акустических методов и разработанных средств для измерения и мониторинга температурных полей. Экспериментальные работы проводились на акустико-гидрофизическом полигоне ТОЙ ДВО РАН в заливе Посьет в августе - сентябре 2004 и 2005 года. Показана однозначная связь между временами пробега акустических импульсов в различных слоях диагностируемого волновода с температурой на этих глубинах.
В подразделе 3.2 представлены результаты исследования звукоподводной связи, которые проводились в акватории Японского моря на акустических трассах от полуострова Гамова до банки Кита-Ямато в июне 2005 и августе 2006 года.
В заключении приводятся основные выводы по результатам работы.
Технические средства передачи информации по гидроакустическому каналу
Характеристики морской среды, рассматриваемой как канал связи между излучателем и приемником, определяют параметры и конструктивные особенности применяемых технических средств. Особенности гидроакустического канала связи можно изучать с помощью широкого набора средств, дающих представление о динамике и свойствах его передаточной функции, используя подходящие зондирующие сигналы и технические средства. Применение сигналов, специально предназначенных для передачи по многолучевым каналам, позволяет получить данные о свойствах и состоянии канала и использовать их для повышения помехоустойчивости при передаче информации.
Для ярко выраженного дисперсионного канала, каким является гидроакустический канал, характерно наличие дискретной и диффузной многолучевости, замирания сигнала, что ведет к появлению мультипликативных помех. Условия распространения акустических сигналов в мелком море являются наиболее сложными при работе гидроакустической системы связи. Здесь в полной мере проявляются те факторы, которые снижают скорость и качество передаваемой информации. Это приводит к большим проблемам при выделении элементов передаваемых сообщений и жестким требованиям к структуре тракта приема и характеристикам используемых антенн. Общим подходом при построении системы связи для сложных каналов является применение адаптивных алгоритмов обработки, предполагающих предварительную градуировку канала связи с оценкой его импульсной характеристики и слежением за ее изменениями в процессе работы системы. При наличии этой информации могут быть реализованы эффективные эквалайзеры, обеспечивающие когерентную обработку совокупности прямых и отраженных сигналов в канале [14, 15, 16]. Необходимым условием работы таких систем является передача перед сеансом связи специальных обучающих последовательностей информационных символов, копии которых имеются в точке приема, для синхронизации канала, настройки параметров эквалайзера и формирования адаптивного алгоритма слежения за их изменением в течение сеанса. Эквалайзеры производят компенсацию искажений сигналов, вызванных средой, с помощью адаптивных фильтров, что дает возможность когерентного суммирования многолучевых сигналов с учетом фаз. Метод фазовой автоподстройки позволяет отслеживать изменение частоты и фазы за счет эффекта Доплера и флуктуации среды [15].
Существуют определенные ограничения для использования этих методов. Во-первых, эквалайзеры хорошо работают, когда временное затягивание импульсного отклика среды не слишком велико. В подводной акустике оно составляет десятки, а возможно и сотни символов, в особенности при дальнем распространении в мелком море. При таком затягивании обработка сигналов с использованием адаптивных эквалайзеров в реальном времени невозможна даже с помощью самых современных цифровых сигнальных процессоров. Для уменьшения длительности импульсного отклика среды используются направленные антенны, однако это значительно усложняет и удорожает аппаратуру. Метод фазовой автоподстройки не работает, когда сигналы по различным лучам приходят с разными доплеровскими сдвигами. Наконец для работы указанных методов требуется хорошее превышение сигнала по отношению к аддитивным шумам, что накладывает большие ограничения на автономные океанологические приборы, которые должны работать в течение длительного времени с малым запасом энергии.
При другом подходе, можно подразделить методы связи на две основные группы. Первая реализует некогерентные методы связи, такие как, например, методы манипуляции частоты. Им свойственна высокая надежность передачи данных, однако скорость передачи остается невысокой. Вторая реализует фазокогерентные методы связи. Они признаны более скоростными, однако используют сложные алгоритмы обработки и дорогое, громоздкое оборудование, например, как отмечалось, фазированные антенные решетки для формирования узкого луча на передающей стороне или распределенные приемные антенны для определения направления прихода луча.
Ниже кратко описываются некоторые технические параметры, а также достоинства и недостатки систем цифровой связи, которые удалось найти в открытой печати. Следует отметить, что данный вопрос довольно скудно представлен в печати из-за возможности стратегического для государств в целом и коммерческого для отдельных компаний применения.
Подход, разработанный в Северо-восточном университете в Бостоне и в Вудсхоле (США), подробно описан в [17], [15]. В нем предложена комбинированная методика применения адаптивного трансверсального фильтра с оптимальной синхронизацией фазы для борьбы с эффектами межсимвольной интерференции. Использование системы такого типа позволило повысить скорость передачи данных под водой до 20 кбит/с [15]. Достоинством этого подхода является возможность улучшения отношения сигнал/шум сбора энергии принимаемого сигнала по всем лучам. Применение данного подхода, однако, сильно ограничивается, когда импульсный отклик канала становится быстро изменчивым [18, 19]. Быстро меняющаяся многолучевая структура создает также сложности при синхронизации систем связи.
Следующий подход опирается на антенный принцип формирования и излучения узкого луча. Этим обеспечивается упрощение многолучевой структуры принимаемого сигнала [20]. Эквалайзеры не применяются. Вместо них на приемной стороне используются антенны, позволяющие скомпенсировать флуктуации принимаемого сигнала. Однако эффективность данного подхода существенно снижается при увеличении дистанции связи и, в особенности, при возникновении взаимных перемещений приемной и передающей систем.
Еще один подход, разработанный в университете в Ньюкасле, использует адаптивное формирование луча на принимающей стороне и позволяет изолировать остальные лучи с помощью углового разделения многолучевых компонентов [21]. Этот подход реализует метод наименьших квадратов для адаптивного управления нулями диаграммы направленности в направлении прихода отраженного луча [22, 23]. Также как и в предыдущем случае, производительность такой системы быстро снижается с ростом дистанции связи [24]. Для улучшения производительности в работе [22] было предложено дополнить систему адаптивным эквалайзером. В этом случае, однако, возникает проблема сходимости решения, выполняемого эквалайзером, особенно при работе в практических, быстро флуктуирующих каналах.
Как отмечено в [25], не само по себе многолучевое распространение ограничивает производительность акустических телеметрических систем, а флуктуации отдельных лучей. Разделение многолучевых компонентов сигналов, каждый из которых содержал бы только флуктуации, ассоциированные с одним единственным лучом распространения, могло бы стать «ключом» к существенному улучшению качества обработки принимаемого сигнала. В работах [26] и [27] была опробована попытка разделения многолучевых компонентов сигнала и их обработки по отдельности. В [26] применялась система с двукратной относительной фазовой манипуляцией для связи в 100 метровом горизонтальном канале с известной многолучевой структурой (известным временем между прямым и последующими приходами). Специальное расположение сигналов во времени обеспечивало завершение приема каждого импульса перед поступлением первого существенного многолучевого прихода.
Электронные блоки и системы акустико-гидрофизического комплекса
В предыдущих разделах представлен анализ достижений и проблем отечественных и зарубежных авторов по акустической томографии динамики и структуры водной среды, а так же передачи информации по гидроакустическому каналу связи. В обзоре показана возрастающая активность применения методов акустической диагностики неоднородностей морской среды, возможности которой существенно дополняют контактные методы измерений.
Широкое применение акустических методов томографии требует использование мобильных, недорогих приемных и излучающих систем донного исполнения. Это обусловлено необходимостью обеспечения долговременных измерений в районах с интенсивным судоходством и рыболовством и сильными течениями. В этих случаях применение вертикально развитых антенн или дрейфующих систем связано с большими трудностями и риском. Применение же донных одиночных систем излучения и приема зондирующих сигналов, по мнению многих авторов, может привести к ошибкам из-за проблем разрешения во времени лучевых приходов акустической энергии и их идентификации. Но преимущества использования таких систем настолько очевидны и выгодны для практики, что, на наш взгляд, целесообразны дальнейшие углубленные исследования в интересах разработки простых и эффективных приборов для акустического мониторинга морской среды. Одним из эффективных путей в этом направлении является усложнение зондирующих сигналов. Применение сложных сигналов обусловлено их свойствами: автокорреляционные свойства позволяют "свернуть" сигнал в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна полосе. В силу этого возможна эффективная борьба с многолучевым характером распространения сигналов в каналах. прием сложных сигналов осуществляется методами селекции по их форме в частотно-временной области, что позволяет более рационально использовать диапазоны частот и эффективно вести борьбу с помехами. применение сложных сигналов позволяет в условиях воздействия помех решать вопросы синхронизации работы передающих и приемных устройств. наличие сложной структуры сигналов затрудняет извлечение информации из сигнала, если неизвестны данные о его структуре. Это качество чрезвычайно важно при решении задач гидроакустической связи и телеметрии. Обнадеживающие перспективы дальнейшего развития технических средств исследования и мониторинга морских акваторий открывается с применением гидроакустического канала передачи информации и команд управления. Достижения при передаче информации по гидроакустическому каналу связи тесно связаны с разработкой и использованием современных аппаратных и программных средств, реализующих алгоритмы обработки с учетом собственных характеристик канала.
В настоящее время гидроакустический канал передачи данных широко применяется в практике использования подводных аппаратов, управляемых с судна. Специфика их применения (поиск затонувших объектов, исследование дна и т.д.) обусловила приоритетное развитие высокочастотных систем связи, работающих в диапазоне от 10 кГц и выше. Низкочастотные акустические системы диагностики морской среды на трассах в сотни и тысячи километров проходят в настоящее время экспериментальную апробацию в рамках международных программ ТЕТИС, АТОС и др. На наш взгляд, очень актуальной и практически значимой является попытка передачи данных об уровне излучения при осуществлении зондирования путем изменения кодовой последовательности зондирующих импульсов. Это открывает широкие возможности использования гидроакустического канала для передачи информации и, одновременно, для мониторинга структуры и динамики вод. Сложность решения этой задачи связана с противоречивостью физических предпосылок, т.к. эффективность канала подводной связи зависит от стабильности пространственно-временных характеристик акустического поля, а реструктуризация гидрофизических параметров волновода методами акустической томографии связана, в основном, с измерением нестабильности этих характеристик.
В результате анализа были конкретизированы задачи на разработки и исследования в диссертационной работе: разработка конструкций, схем генерации, питания и синхронизации источников звука сложных фазоманипулированных сигналов, работающих в частотном диапазоне 250 - 2500 Гц, на глубинах до 150 м, в стационарном (кабельном) и автономном режимах; разработка конструкций, схем усиления, регистрации и хранения информации систем приема гидроакустических сигналов в диапазоне частот 10-10000 Гц; разработка, изготовление и исследование характеристик автономных систем корреляционной обработки фазоманипулированных сигналов на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС); разработка, изготовление и испытание в натурных условиях системы единого времени для синхронизации излучающих и приемных комплексов при решении задач звукоподводной связи и акустической томографии; исследование надежности и скоростных возможностей гидроакустического канала передачи информации в Японском море на дистанциях до 200 миль; экспериментальная апробация разработанных технических решений для измерения и мониторинга температурных режимов на шельфе Японского моря.
Методические основы разработки системы передачи информации
Это колебание не содержит несущей частоты, если q(t) не содержит компонент с нулевой частотой. Таким образом, амплитудный спектр модулирующего колебания переносится по спектру на величину несущей частоты.
Кроме амплитудной модуляции можно применить фазовую модуляцию [41, 43]. При этом фаза модулирующего колебания пропорциональна модулирующей функции q(t). Сигнал имеет вид:
Бинарный сигнал q(t) принимает значение либо +1, либо -1, так что модулированная волна имеет фазу либо в, либо - в. Сигнал можно разложить на синфазную и квадратурную компоненты. Синфазная компонента для любого значения имеет один и тот же знак, так что она всегда присутствует. Таким образом, сигнал может быть представлен в виде немодулированной синфазной компоненты и модулированной квадратурной компоненты. Рассмотрение модулированной компоненты сигнала показывает, что данный вид модуляции аналогичен балансной модуляции. Амплитуды этих компонент пропорциональны синусу и косинусу угла модуляции, и амплитудный спектр фазоманипулированной несущей, при использовании в качестве модулирующей функции бинарного сигнала, совпадает со спектром при балансной модуляции, за исключением того, что присутствует компонента несущей частоты. При такой модуляции мощность модулированного сигнала также постоянна. Естественно, что при 9 = — балансная и фазовая манипуляции полностью совпадают.
Одним из основных требований к гидроакустическим излучающим системам разработанного комплекса является способность формировать акустические сигналы в широкой полосе частот с заданными или меняющимися в процессе эксперимента частотно-фазовыми характеристиками и обеспечивать необходимую мощность для зондирования всей акватории Японского моря. На (рис. 2.3) приведены излучающие средства комплекса и структурная схема их функционирования на акустико-гидрофизическом полигоне у мыса Гамова в Японском море при проведении экспериментальных исследований.
В излучающую систему комплекса, элементы формирования и генерации сигналов которой разрабатывались при участии автора, входят: автономный источник сигналов (рис. 2.3, поз. 3), два излучателя электромагнитного типа (рис. 2.3, поз. 2) и один пьезокерамический (рис. 2.3, поз. 1), установленные у дна стационарно и связанные с береговым постом кабелем [44].
Автономный источник акустических сигналов представляет собой излучатель электромагнитного типа со специальными демпферами для расширения полосы пропускания. Он обеспечивает излучение сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей с числом символов, равным 511 и длиной 8 периодов несущей частоты 260 Гц и предназначен для многократных постановок на глубинах до 100 м. Синхронизация излучения производится от системы единого времени. Сигналы формируются специальной программой, позволяющей в ходе эксперимента управлять длиной М-последовательности и уровнем излучения. Выходная мощность усилителя регулируется программно до 1000 Вт, что обеспечивает звуковое давления излучателя около 7000 Па на дистанции 1 м. Схемотехнические особенности усилителя позволяют использовать его без отключения источника питания на период перерывов излучения (ток покоя усилителя менее 500 мкА). Источник питания на базе щелочных батарей емкостью 1500 А/ч обеспечивает работу системы, в зависимости от временной диаграммы излучения, от нескольких суток до нескольких месяцев. В 1999 г. автономный источник отработал 6 месяцев при излучении каждые 2 часа десяти 511-символьных посылок [45].
В 200 м от береговой черты, на глубине 27 м, устанавливались стационарные излучатели аналогичной описанной выше конструкции с центральными частотами 250 Гц и 366 Гц, с питанием по кабелю от береговых усилителей. В настоящее время эти излучатели извлечены и применяются в автономном варианте по необходимости [46,49].
На глубине 39 м, при удалении от берега 400 м, был установлен широкополосный пьезокерамический источник звука для излучения сигналов в диапазоне 300-2500 Гц, который функционирует с 1999 г. и является основным излучающим элементом комплекса по сей день. На рис. 2.4 приведена нормированная частотная характеристика, измеренная вблизи источника звука. На рис. 2.5 приведен результат измерения нормированной электрической проводимости излучателя вместе с кабельной линией, которая является нагрузочной характеристикой для оконечного усилителя мощности. Это, в свою очередь, влияет на частотную характеристику системы в целом и приводит к возникновению дополнительных резонансов. Единица на графике соответствует 1.133 См (1/7.5 Ом).
Решение задач, поставленных в работе, потребовало разработки приемных систем двух типов. Мобильные гидрофонные системы для оперативных постановок в различных районах шельфа (рис. 2.6) и глубокого моря (рис. 2.7) были изготовлены на базе радиогидроакустических буев с передачей информации на береговой пост или на борт плавучей лаборатории по радиоканалу. Для этого переоборудовались авиационные буи РГБ-16 путем удаления лишних функций и заменой кабеля и гидрофонов. Груз порядка 3-х кг применен для достижения заглубления гидрофона по вертикали. Серия демпфирующих поплавков обеспечивает защиту от колебаний связанных с волнением. Для облегчения поиска системы в открытом море использовалась 2-х метровая веха с радиолокационным отражателем, а в ночное время с проблесковым маячком. В качестве приемника радиосигналов применялись широкополосные радиоприемники фирмы AOR AR-8000 и AR-3000.
Результаты апробации систем звукоподводной связи в июне 2005 года
Для решения задач навигации и звукоподводной связи был разработан комплекс программ для генерации кодовых последовательностей с широким диапазоном перестройки в частотно-временной области. При этом использовался оригинальный для отечественной практики метод когерентного сложения отдельных приходов акустической энергии.
В разрабатываемом методе предложен принцип непосредственной передачи М-последовательностей по гидроакустическому каналу для оценки импульсной характеристики канала, эти же М-последовательности применяются для кодирования информации [50]. Работа системы связи, основанная на этом методе, сводится к следующим этапам. На первом этапе программно моделируется или с помощью технических средств реализуется линейный сдвиговый регистр длиной m разрядов с обратными связями. Определенным образом выбранные обратные связи передают значения разрядов регистра на сумматор по модулю 2 (операция XOR - исключающее ИЛИ), результат суммирования поступает на вход регистра. С выхода регистра снимается последовательность нулей и единиц, из которых собственно формируются символы М-последовательности длиной L = 2Ш - 1 (последовательность максимальной длины). Для реализации предложенного метода формируется одна, две или три «предпочтительные» М-последовательности. «Предпочтительные» это пары с достаточно малыми уровнями взаимной корреляции. Абсолютные значения максимальных уровней взаимной корреляции 5 для таких пар при различных М не должны превышать: где К=М+1 для (М - нечетное), К=М+2 для (М - четное), М - степень полинома (длина сдвигового регистра), N - число символов последовательности. Для 511 символьных последовательностей это значение равно 0,033. Исходя из опыта работ с такими сигналами, генерировались последовательности длиной 511 символов с числом периодов несущей частоты на символ 4, условно обозначаемые А, С, D.
Три независимых взаимно ортогональных фазоманипулированных сигнала (М - последовательности А, С и D) используются для передачи до трех информационных посылок. Передаваемая информация представляется в виде одного, двух или трех векторов hi, h2 и h3, определяя поток данных информационных слов во времени соответственно для первого сигнала - hi , для второго -h2nh3- для третьего.
Кодирование исходной информации М - последовательностями производится с помощью операции свертки где cod], cod2, codi - взаимно ортогональные M - последовательности длиной символов (А, С и D).
На втором этапе формируется сигнальный фрейм, который передается в гидроакустический канал связи, претерпевает в канале искажения, связанные с условиями распространения акустических сигналов (многолучевостью и др.). Фрейм состоит из синхронизирующих М - последовательностей cod;, cod2, codi, и кодированного информационного сигнала s(k).
Для реализации предложенного алгоритма связи были созданы кодирующее и декодирующее устройства. В декодирующем устройстве вычисляется корреляция принятого сигнала с маской и сравнивается с пороговым значением. На первом этапе, при превышении порога, производится замена сигнала маски на принятый. Что означает обнаружение начала информационного фрейма и оценку импульсной характеристики канала. На втором этапе производится декодирование уже информационного фрейма путем вычисления корреляции и сравнения с пороговым значением. При превышении порога информационному биту присваивается значение 1, в противном случае 0. Присваивание производится с шагом определяемым алгоритмом кодирования. Полученная информация передается на ПК для дальнейшего интерпретирования. Для реализации описанной последовательности действий пригоден корреляционный приемник с несущественными изменениями в алгоритме работы, описание которого приведено в п. 2.1.6.4. Кодирующее устройство должно позволять формировать информационную последовательность путем арифметического сложения сдвигаемых М-последовательностей с последующей модуляцией по фазе и амплитуде. С ПК подается определенной длины фрейм исходной битовой информационной последовательности, а в кодировщике происходит кодирование с помощью М-последовательностей и модуляция. Пример алгоритма кодирования приведен на рис. 2.24. Здесь необходимо передать две единицы с помощью трехсимвольной М-последовательности (ПО). Для этого нули изменили на -1 (ПО — 11-1). Сдвиг между последовательностями выбран 2 символа. Арифметически складываем и извлекаем модуль. Единица кодируется фазовым сдвигом 0, а ноль 174,816. При сложении большего числа М-последовательностей в результате могут появиться числа больше чем 1, в таком случае значение кодируется амплитудой, либо клиппируется одним уровнем.
