Содержание к диссертации
Введение
1 Гидроакустические информационно-измерительные комплексы 14
1.1 Обзор гидроакустических информационно-измерительных комплексов 14
1.2 Протоколы информационного обмена по гидроакустическому каналу 19
1.3 Методы приема и передачи гидроакустических сигналов 27
1.4 Анализ современных микропроцессорных технологий цифровой обработки гидроакустических сигналов 37
Выводы 43
2 Разработка компьютерной модели гидроакустического информационно-измерительного комплекса 45
2.1 Структура компьютерной модели комплекса 45
2.2 Способ регистрации гидроакустических сигналов 47
2.3 Метод передачи информационно-измерительных данных 57
2.4 Алгоритм адаптации к характеристикам гидроакустического канала 65
2.5 Алгоритм синхронизации комплекса 70
Выводы 73
3 Синтез гидроакустического информационно-измерительного комплекса 75
3.1 Синтез многоканального корреляционного приемника 75
3.2 Сокращение энергопотребления комплекса 82
3.3 Синтез основных блоков комплекса 87
3.4 Структура информационно-измерительного комплекса 93
Выводы 97
4 Эксперименальные исследования 98
4.1 Оценка погрешностей формирования информационных интервалов 98
4.2 Оценка погрешности синхронизации 102
4.3 Лабораторные испытания комплекса 106
4.4 Схема проведения натурных испытаний 108
4.5 Результаты натурных испытаний 113
Выводы 118
Заключение 119
Список литературы 121
- Протоколы информационного обмена по гидроакустическому каналу
- Способ регистрации гидроакустических сигналов
- Сокращение энергопотребления комплекса
- Лабораторные испытания комплекса
Протоколы информационного обмена по гидроакустическому каналу
Гидроакустический информационно-измерительный комплекс – это техническое средство регистрации гидроакустических сигналов в реальном масштабе времени, состоящие из специальных программно-аппаратных средств цифровой обработки сигналов и технических средств приема и передачи сигналов. Под регистрацией подразумевается цифровая обработка гидроакустических сигналов, решающая задачи обнаружения и оценивания параметров сигнала при осуществление информационного обмена по гидроакустическому каналу. Информационный обмен может включать в себя задачи обсервации, телеметрии и управления подводными объектами.
Задача обсервации решается вычислением наклонной дальности через измерение времени распространения сигнала в гидроакустическом канале между передающим и приёмным устройствами. После обобщения результатов нескольких измерений выполняется определение относительной позиции подводного объекта.
В зависимости от принципа измерения времени распространения сигнала системы делятся на пассивные (однопроходный принцип измерения) и активные (двухпроходный принцип измерения) [1]. При активном измерении сигнал излучается передающим устройством. Приемное устройство принимает либо отраженный сигнал (пассивный ответ) от препятствия, либо ответный сигнал от маяка (активный ответ). Формирование ответного сигнала предполагает наличие на маяке приемного и передающего устройств. При пассивном измерении времени распространения сигнала маяк является источником излучения, а объект обсервации осуществляет только прием сигнала с целью определения собственного местоположения.
Объектами информационного обмена могут быть (рисунок 1.1): - суда обеспечения с судовыми блоками обработки гидроакустических сигналов; - автономные необитаемые подводные аппараты или подводные роботы, оснащенные гидроакустическими приемо-передающими аппаратно-программными комплексами для регистрации гидроакустических сигналов; - гидроакустические маяки; - стационарные подводные системы сбора данных; - береговые станции. Можно выделить основные требования, предъявляемые к современным гидроакустическим информационно-измерительным комплексам [3]: - автономность работы, обусловленная повышением функциональности подводного объекта и автоматизацией выполнения миссий; - низкое энергопотребление, обусловленное ограничением массогабаритных показателей (системы элементов питания составляют значительную часть подводных объектов); - высокая точность обнаружения момента прихода сигналов для обсервации и высокая помехоустойчивость передачи данных, обусловленные выполнением более сложных миссий без вмешательства человека; - повышенная дальность функционирования, обусловленная уменьшением количества используемых подводных объектов; - одновременная работа множества подводных объектов (абонентов), обусловленная усложнением целевых миссий.
Схема взаимодействия объектов информационного обмена Основными разработками информационно-измерительных комплексов регистрации гидроакустических сигналов занимаются научно-исследовательские и промышленные организации, такие, как: Link Quest [4] (США), Evologics [5-6] (Германия), IXSEA [7] (Бельгия), Kongsberg Maritime [8] (Норвегия), Sonardyne [9] (Великобритания), Benthos Inc. [10] (США), Aquatec [11] (Великобритания), Институт проблем морских технологий ДВО РАН [12-13] (Россия), Институт океанологии имени П.П. Ширшова РАН [14] (Россия), НИИ гидросвязи «Штиль» [15] (Россия), Опытно-конструкторское бюро океанологической техники РАН [16] (Россия). В основном, информационно-измерительные комплексы разных производителей обладают сходными техническими параметрами и отличаются лишь различной технологией (методами обработки сигналов и элементной базой) и типом приёмопередающих элементов (гидроакустических преобразователей) [17]. В большинстве гидроакустических информационно-измерительных комплексах задачи обсервации и передачи информационно-измерительных данных решают различные устройства. Это, в основном, связано с тем, что они построены на базе специализированных микроконтроллеров и цифровых сигнальных процессоров [18-19]. Недостатком цифровых сигнальных процессоров и микроконтроллеров является низкая производительность при большом количестве вычислительных процессов в таких задачах, как многоканальная обработка сигналов.
На сегодняшний день ввиду развития микропроцессорных технологий, таких, как программируемые системы на кристалле, позволяющие совместить последовательные и параллельные процессы обработки информации, целесообразным является унифицировать блок цифровой обработки сигналов на данной аппаратной платформе для комплексного решения задачи информационного обмена и увеличения надежности, снижения энергопотребления и массогабаритных показателей [20]. На рисунке 1.2 обозначено выделение блока цифровой обработки гидроакустических сигналов в каждом объекте информационного обмена.
Способ регистрации гидроакустических сигналов
Учет особенностей подводного канала, таких, как экстремально длительная задержка распространения, ограниченность полосы частот и полудуплексная природа средств связи в водной среде оказывают существенное влияние на протоколы передачи всех уровней. Затраты энергии на доставку бита информации в подводной гидроакустической сети являются базовой характеристикой сети, определяющей длительность ее жизненного цикла. Избыточность и универсальность протоколов наземных сетей обходится слишком дорого применительно к подводным сетям. На различных уровнях необходимо предусмотреть режимы пониженного энергопотребления при отсутствии обмена данными между узлами сети.
Ситуативные (adhoc) сети с подвижными узлами являются наиболее востребованными в быстроменяющихся и перестраивающихся в пространстве подводных сетях, однако их сложность на порядок выше статических. В беспроводных гидроакустических сетях отсутствует гарантия того, что передающую станцию слышат все остальные. Это требует, как минимум, увеличения мощности сигнала, что совершенно недопустимо в подводных сетях. Для организации широковещательной передачи каждый узел сети передает данные только соседям, поэтому до самой отдаленной станции пакет приходит транзитом через несколько узлов так называемыми скачками. Протокол «простое надежное широковещание» (Simple Reliable Broadcast, SRB) [25], используемый в мобильных радиосетях, не подходит для подводных сетей по той причине, что в канале возникает множество избыточных пакетов, когда у каждого узла несколько соседей. А в подводных сетях нужно минимизировать количество передач из-за ограниченного ресурса батарей питания. Протокол «однополосное надежное широковещание» (Single-Band Reliable
Broadcast, SBRB) отличается от SRB тем, что, когда узлу необходимо инициировать широковещательную передачу, он в специально выделенной для этого полосе частот с повышенной мощностью сигнала сообщает об этом всем узлам в сети. Высокоскоростная передача данных ведется в другой полосе частот с меньшим уровнем излучения сигнала. Если принимающий узел не получил все пакеты сообщения, он обращается к своим соседям аналогично протоколу SRB. Если имеются соседи, которые также не получили все пакеты, узел увеличивает мощность сигнала и запрашивает снова, таким образом увеличивая количество опрашиваемых соседей. Так же, как и SRB, данный протокол может быть улучшен применением помехоустойчивого кодирования с возможностью исправления ошибок (FEC) на стороне получателя.
Протокол «двуполосное надежное широковещание» (Dual-Band Reliable Broadcast, DBRB) является усовершенствованием протокола SBRB. Его отличие состоит в том, что во время передачи пакета, информирующего о начале широковещательной передачи на большой мощности, также передаётся корректирующая часть пакетов с данными, которые применяются получателями для исправления ошибок при приеме сообщений. Таким образом, при приеме неполного сообщения многие из узлов могут сами восстановить утерянные пакеты. Вследствие этого уменьшается количество повторных передач.
Моделирование [26] показывает существенное увеличение эффективности от использования протоколов SBRB/DBRB по отношению к SRB, однако на практике разделение полосы частот на два диапазона, в которых возможен одновременный прием и передача данных, является трудноосуществимой задачей.
Также для организации широковещания можно использовать протокол с гибридными автоматическими подтверждениями (Hybrid ARQ) [27]. В отличие от обычного ARQ, где вместе с пакетом передается его контрольная сумма, в данном случае пакет передается закодированным для дальнейшего его декодирования с возможностью исправления ошибок. В протоколе «передача один к одному» передающая станция отправляет данные принимающей стороне, а также только от нее получает подтверждения. Когда станции необходимо начать широковещательную передачу, она борется за доступ к каналу. Выбор порядка принимающих станций обусловлен критерием минимизации энергозатрат передающей станции. Первыми идут станции-соседи.
Все остальные станции слушают эфир и получают сообщения от передающей станции. Когда все сообщения удачно переданы текущей станции, функции передающей станции переходят к следующей. Если новая станция, слушающая эфир, собрала некоторый процент сообщений, которых, однако, недостаточно для декодирования, то передающая станция передает недостающие пакеты и, таким образом, все сообщения доходят до приемной станции. Могут быть случаи, когда принимающая станция получила все сообщения только лишь при прослушивании эфира и подтверждает это передающей станции. В данном случае идет обмен лишь подтверждениями. Передача между станциями должна вестись с помощью помехоустойчивого кодирования с исправлением ошибок для снижения количества повторных передач. Недостатком такого метода является повышенное энергопотребление передающей станции, которая вынуждена связываться даже с самыми удаленными узлами. Однако из-за особенностей алгоритма многие станции будут иметь достаточное количество информации для декодирования переданных сообщений, и количество передач будет существенно уменьшено. Также возможен прием передающей станцией подтверждений от приемников «при разделении во времени ожидания приема». Данный способ является классическим способом информационного обмена, исключает коллизии, так как для каждой станции выделен интервал времени, на протяжении которого происходит информационный обмен между подводными станциями (информационный интервал). Синхронизация интервалов информационного обмена осуществляется перед установкой станций под воду
Сокращение энергопотребления комплекса
При проектировании гидроакустического информационно-измерительного комплекса необходимо выделить следующие качественные критерии [113]: - функциональность (необходимая и достаточная для реализации алгоритма обработки сигнала); - расширяемость и модифицируемость (быстрая смена конфигурации устройства); - многоканальность (одновременная работа нескольких абонентов, увеличение скорости передачи); - работа в реальном масштабе времени; - малые энергопотребление и массогабаритные показатели.
Как было показано в разделе 1.4, из всех существующих микропроцессорных систем цифровой обработки сигналов к данным критериям более подходят программируемые системы на кристалле типа FPGA [114].
Главным модулем в информационно-измерительном комплексе является блок регистрации гидроакустических сигналов, который представляет собой специализированный процессор, для реализации разработанных способов обработки гидроакустических сигналов.
Как было показано в предыдущей главе, основным способом обработки сигналов является способ адаптивного порогового детектирования, основанный на вычислении корреляционных функций.
При вычислении корреляционной функции с приходом каждого значения обрабатываемого сигнала должно осуществляться скалярное произведение массива (вектора) отсчетов цифровой копии сигнала (эталонный сигнал) с вектором, содержащим новое значение обрабатываемого сигнала и N-1 предыдущих значений обрабатываемого сигнала по выражению отсчет помещается в конец вектора обрабатываемого сигнала. Таким образом, с приходом каждого отсчета обрабатываемого сигнала вычисляется новое значение корреляционной функции. Максимальное значение корреляционной функции на каком-либо отсчете будет соответствовать тому, что обрабатываемый и эталонный сигнал совпали (стали максимально подобны) k-N отсчетов назад.
Пример заполнения вектора исследуемого сигнала Для реализации информационно-измерительного комплекса в работе используются FPGA серии Virtex и Cyclone от фирм Xilinx и Altera. Для выполнения функций корреляционной обработки на данных FPGA целесообразно использовать следующие специализированные блоки [115]:
MAC-блоки, представляющие собой конвейерную структуру умножения/накопления с возможностью как подключения/отключения различных частей внутри блока, так и подключения MAC-блоков между собой для расширения функциональности (рисунок 3.2). Каждый MAC-блок имеет 4-уровневый горизонтальный конвейер (1 – выбор очередного значения, 2 – выполнения операции умножения, 3 – выполнение операции суммирования, 4 –
Блоки быстрой памяти размером по 9 и 18 Кбит, позволяющие реализовывать на своей основе быстродействующие ОЗУ, сдвиговые регистры. Блоки двухпортовой памяти с поддержкой разрядности данных от 1 до 256 бит, разрядной сеткой – от 2 до 1 мегаслов, которая позволяет одновременно производить запись и считывание данных.
Блоки DCM или PLL, отвечающие за распределение тактовой частоты по кристаллу, компенсирующие разность фаз синхросигналов, вызванную естественным путём при распространении сигнала по площади микросхемы. Компенсация задержек позволяет обеспечить одновременный приход фронтов сигнала синхронизации в любой части кристалла, что необходимо для работоспособности высокоскоростных схем.
Массив программируемой логики для создания схем управления, интерфейсных систем и выполнения логических операций.
Для определения момента прихода сигнала с точностью до одного периода частоты дискретизации fD необходимо вычислить значение корреляционной функции Rk за время TP, которое должно удовлетворять условию TP 1 / fD. Следует отметить, что время обработки TP непосредственно зависит от размера обрабатываемого окна N и системной тактовой частоты fT и определяется выражением как TP = N / fT. Исходя из этого fT N fD. Например, для обработки сигнала с N = 4064 (СS = 127, TS = 8) и fD = 48 кГц необходимо fT 195 МГц.
Для уменьшения системной тактовой частоты предлагается con-уровневая вертикальная каскадная параллельная структура построения канала корреляционной обработки (коррелятор) [116-117] (рисунок 3.3). При использовании данной схемы можно за счет увеличения уровней каскада добиться получения значений корреляционной функции каждый такт частоты дискретизации fD вне зависимости от системной тактовой частоты fT.
Лабораторные испытания комплекса
Акт и программа испытаний блока формирования информационных интервалов гидроакустического информационно-измерительного комплекса приведен в приложении Г. Погрешности формирования информационных интервалов Измеряемый параметр M(At) \ (М) \ Atmax \ е \ Nucn \ Тии 1. Погрешность формирования информационных интервалов At без применения алгоритма коррекции 99 мкс 8,74 мкс 115 мкс 3,810-6 6000 30 с 2. Погрешность формирования информационных интервалов At с применением алгоритма коррекции 0,002 мкс 0,64 мкс 1,05 мкс 3,510-8 6000 30 с С помощью ВЕТ 1-7 проводилась оценка погрешности формирования сигналов синхронизации платы точного времени КАС подводного робота Института проблем морских технологий ДВО РАН. В основе платы КАС лежит высокоточный кварцевый генератор с относительной погрешностью формирования частоты 10-7. Оценивался разбег фаз At между двумя сигналами с платы КАС (период сигнала 30 с) и ВЕТ 1-7 (число испытаний - 6 000). На рисунке 4.7 представлен график изменения погрешности формирования сигналов синхронизации платы точного времени КАС. Основные характеристики: Atmax = 2,5 мкс, М(М) = 2,2 мкс, (At) = 0,4 мкс.
Оценка погрешности синхронизации При создании системы синхронизации информационно-измерительного 103 комплекса применялись широко распространённые GPS-приемники Lassen iQ с заявленной точностью формирования сигнала точного времени PPS относительно секунды всемирного координированного времени около 50 нс [138]. Для оценки временной синхронизации двух информационно-измерительных комплексов была проанализирована погрешность формирования сигналов единого времени двух GPS-приемников [139-140]. Структурная схема экспериментальной установки изображена на рисунке 4.8. Рисунок 4.8 – Структурная схема экспериментальной установки GPS-приемники, установленные на мезонинных платах, были подключены к отладочным стендам ML-402 компании Xilinx, основными элементами которых являются программируемые системы на кристалле типа FPGA Virtex-4 XC4VSX35 и стандартный кварцевый генератор Epson SG-531.
На стенде «А» сигнальные линии RX и PPS GPS-модуля посредством внутренней логики FPGA скоммутированы на штыревые разъемы. При помощи гибкого шлейфа эти линии подключены к аналогичным штыревым разъемам стенда «В» и, далее, к выводам FPGA, на которую по сигнальным линиям RX и PPS поступает информация со второго GPS-модуля.
Оценивался разбег фаз t между двумя сигналами разнесенных GPS-приемников вычисляемый внутренним счетчиком FPGA, работающим на частоте 100 МГц (рисунок 4.9) [141информация о состоянии приемников сигналов GPS – текущие координаты, время UTC, количество регистрируемых спутников группировки GPS. Все эти данные подвергаются предварительной обработке и по интерфейсу RS232 передаются для регистрации и последующей статистической обработки на персональный Временная диаграмма формирования сигналов точного времени Максимальная абсолютная ошибка определения времени t, как и в предыдущем эксперименте, не превышает 5 нс.
На рисунке 4.10 представлен график распределения значения At для разного количества фиксируемых спутников на GPS-приемниках (число испытаний -19 000). При 7 фиксируемых спутниках Atmax = 100 нс, M(At) = 1 нс, (At) = 5 нс.
В таблице 4.2 представлены вычисленные на основе данных эксперимента математическое ожидание, среднеквадратическое отклонение и максимальные значения времени рассинхронизации для различных комбинаций спутников.
При анализе данных эксперимента были обнаружены моменты времени, когда значение At превышало 2 мкс. Подобные «провалы» возникали лишь в пределах одного периода сигнала PPS - по приходу очередного импульса синхронность восстанавливалась в пределах фиксируемых средних значений. При обработке данных эти случаи не учитывались (отбрасывались) как выходящие за рамки условий стабильного приема устройств GPS. «Провалы» синхронизации наблюдались при всех комбинациях спутников и составили величину, порядка 105 0,6 % от всех опытов. Выявить какой-либо зависимости частоты таких событий от числа регистрируемых спутников на устройствах GPS-приемников не удалось.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что в реальных условиях эксплуатации погрешность временной синхронизации не превышала 100 нс, что на порядок меньше погрешности формирования информационных интервалов.
Лабораторные испытания гидроакустического информационно измерительного комплекса [143] проводились в лаборатории интеллектуальных технологий и систем ТОГУ. Испытания проводились в два этапа:
1. На первом этапе были сгенерированы файлы с информационными сообщениями при разных соотношениях сигнал/шум. Файлы передавались в комплекс по интерфейсу USB, а обратно по интерфейсу RS-232 принимались результаты обработки (рисунок 4.11). В результате оценивались момент прихода синхронизирующих шумоподобных фазоманипулированных сигналов, уровни корреляционных функций, битовая ошибка передачи информационных сообщений (информационные слова и пакеты данных). Информационные сообщения состояли из 52 шумоподобных фазоманипулированных сигналов с CS = 127, TS = 8. Пакеты данных – из восьми сегментов по 16 информационных символов длительностью 2 мс с многопозиционной модуляцией с четырьмя фазами и четырьмя частотами (МФЧМ). Несущие частоты сигналов fS = 12 кГц, частота дискретизации fD = 48 кГц.
2. На втором этапе первый информационно-измерительный комплекс излучал информационное сообщение по гидроакустическому каналу в бассейне. 107 Параметры сообщения задавались пользователем через программный интерфейс на ПК и передавались на комплекс по интерфейсу RS-232. Энергия акустического излучения изменялась с помощью программного регулятора коэффициента усиления на комплексе и с помощью регулируемого усилителя мощности. Второй комплекс принимал гидроакустический сигнал, передавал без изменения по интерфейсу Ethernet на компьютер и обрабатывал его своим многоканальным корреляционным приемником. Результаты обработки комплексом передавались по интерфейсу RS-232. Проводилась сходимость данных обработки с комплекса и на ПО (рисунок 4.12). Оценивались соотношение сигнал/шум, момент прихода синхронизирующих шумоподобных фазоманипулированных сигналов, уровни корреляционных функций и битовая ошибка передачи информационных сообщений и пакетов данных.
В ходе лабораторных испытаний было проанализировано более 1 млн. шумоподобных фазоманипулированных сигналов. В таблице 4.3 представлены результаты регистрации гидроакустических сигналов (погрешность обнаружения момента прихода сигнала є, битовая ошибка передачи информационных сообщения ВЕЯФМШ, битовая ошибка передачи пакета данных ВЕЯМФЧМ) с помощью разработанного информационно-измерительного комплекса и на ПО (модель).
