Содержание к диссертации
Введение
Программный комплекс моделирования полей сигналов и помех 7
1 Модели полей сигналов и помех 8
1.1 Модель функции Грина 8
1.2 Модели полей сигналов . 10
1.3 Модели полей помех 12
2 Алгоритмы генерации полей сигналов и помех 14
2.1 Алгоритм генерации корабельной помехи 14
2.2 Алгоритм генерации реверберационной помехи 15
2.3 Алгоритм генерации поля эхо-сигнала 16
2.4 Алгоритм генерации поля полезного сигнала в режиме ОГС 16
2.5 Алгоритм генерации поля полезного сигнала в режиме ШП 16
3 Структура программного обеспечения, входные и выходные переменные ... 17
3.1 Описание программы BiStat.exe 17
3.2 Генерация полей сигналов и помех на выходе элементов приемной антенны. 31
4 Описание интерфейса пользователя . 37
4.1 Гидрофизические данные 37
4.2 Набор базовых импульсов 37
4.3 Временной интервал имитации . 38
414 Параметры пачки сигналов 38
4.5Параметры цели. 39
4.6 Режимы наблюдения и поля сигналов и помех 40
5 Резулбтаты генерации полей сигналов и помех (численный пример). 411
Общая оценка необходимых вычислительных ресурсов для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени : 46
б.ГРасчет необходимых вычислений для генерации корабельной помехи в единицу времени. 46
6.2 Расчет необходимых вычислений для генерации реверберационной помехи. 50
6.3 Расчет необходимых вычислений для генерации поля эхо-сигнала .. 52
6.4 Расчет необходимых вычислений для генерации поля полезного сигнала в режиме ОГС. 54;
6.5 Расчет необходимых вычислений для генерации поля полезного сигнала в режиме ШП. 55
6.6 Основные требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени ДЛЯ: «малого класса ГАК» . 57
6.7 Основные требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени для «Большого класса ГАК» 58
ЧАСТЬ 2. Программный комплекс расчета зон обнаружения . 60
7 Алгоритмы расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах 61
7.1 Расчет зон обнаружения в пассивном режиме 61
7.2 Расчет зон обнаружения в активном бистатическом режиме 66
8 Структура программного обеспечения . 69
9 Описание интерфейса пользователя 70
9.1 Гидрофизические данные 70
9.2 Параметры системы 70
9.3 Параметры цели 71
9.4 Расчет зон обнаружения и построение графиков., 72
9.5 Промежуточные значения 72
10 Результаты вычислений 73
Заключение. 78
Список литературы.
- Модели полей сигналов
- Алгоритм генерации поля эхо-сигнала
- Временной интервал имитации
- Расчет необходимых вычислений для генерации поля эхо-сигнала
Модели полей сигналов
В режимах ГЛ и ОГЛ вычисляется в соответствии в выражением (13) матрица спектральных плотностей на центральной частоте рабочего , диапазона, а спектральная плотность азк(й?) вычисляется в полосе (0,—), где /г, - частота дискретизации сигнала: Для матрицы К \\г-х ) решается проблема собственных значений. Собственные векторы, соответствующие малым собственным значениям отбрасываются, а из оставшихся собственных значений вычисляется, квадратный корень. Таким образом, формируется прямоугольная матрица Н равная Hm=Um . (16) Здесь Urт,- прямоугольная матрица собственных векторов гS(1,JVR), me(l f), где М. - число удерживаемых собственных значении. Ад» собственные значения матрицы К гг,. Датчиком случайных чисел формируется случайная прямоугольная матрица размером MxNm с независимыми комплексными элементами с нулевым средним и единичной дисперсией. Далее каждая строка этой матрицы умножается поэлементно на хы fan) после чего эта матрица слева умножается на матрицу Н. В итоге получается матрица размером NRXNM случайных комплексных величин с нулевым средним и с заданной выражением (13) матрицей спектральных плотностей. После вычисления Фурье преобразования по строкам и выделения реальной части мы получаем реализацию корабельной помехи на всех приемниках антенны, на интервале
N времени Т0 =— -. Для других интервалов времени процесс повторяется. Генерация корабельной помехи в режиме ШП отличается от описанного выше, только тем, что матрица К гг, вычисляется не на одной частоте, а, на сетке частот в полосе. (вт,—)- В соответствии с этим вычисляются несколько матриц Н(/) каждая для своего диапазона ив спектральной области происходит умножение не-на одну матрицу Н, а на. несколько. В остальном алгоритм генерации остается таким же как и описан выше.
Поскольку реверберационная помеха является нестационарным полем, N то выбирается интервал времени Т0 =——, где TV,» = 512 равный длительности /д самого короткого сигнала из алфавита ЗС, На этом интервале времени; реверберация, порождаемая всеми ЗС должна быть стационарна. С таким шагом на заданном интервале генерации {Тшч, Т н) и на центральной частоте рабочего диапазона вычисляется массив матриц спектральных плотностей в соответствии с выражением (14). Здесь следует заметить, что хотя утло-временной спектр реверберации вычисляется; на центральной частоте, матрица спектральных плотностей пропорциональна квадрату модуля спектра ЗС и поэтому разных сигналов получается разной.
Далее на каждом интервале Т0 работает алгоритм, описанный в 2.1 вычисления1 матриц Н; генерируется датчиком случайных чисел матрица независимых комплексных чисел, далее происходит умножение этих матриц, преобразование Фурье по строкам и; выделение реальной части. Для: следующего интервала" процесс повторяется; но уже с другой матрицей спектральных плотностей.
При генерации реверберации от пачки сигналов, пачка анализируется, из нее выбираются одинаковые ЗС, далее вычисляется матрица спектральных плотностей только этой: компоненты реверберации. Эта матрица-функция сдвигается во времени на период повторения сигналов и складывается. В результате получается матрица-функция спектральных плотностей реверберации, порожденной пачкой одного ЗС. Далее все это делается для других ЗС и результаты складываются.
Поле эхо-сигнала на элементах антенны генерируется во временной области в соответствии с выражением (12).
На этом интервале в спектральной плотности генерируется процесс с заданной спектральной плотностью аг3(/) = р3 — . Этот процесс умножается на функцию Грина в соответствии с выражением (10) и получается прямоугольная матрица размером NRXN . Далее вычисляется обратное преобразование Фурье по строкам и выделение реальной части. На других интервалах То процесс повторяется
Программное обеспечение, реализованное на MVC++ [42] и-системе Matlab_6.1 [63], состоит из: программы BiStatexe, вычисляющей лучевые параметры статистических характеристик полей сигналов и помех (раздел 3.1); комплекта расчетных программ, имитирующих гидроакустические поля сигналов и помех (раздел 3.2); и программы shcexe, осуществляющей интерфейс между оператором;и расчетными программами имитатора. Описание работы программы shcexe приведено в разделе 4. Программа BiStat.exe предназначена для расчета лучевых параметров статистических характеристик полей сигналов и помех в океане; Структурно программа состоит из оболочки и набора DLL -модулей, реализующих выполнение, выбранной пользователем задачи.
Алгоритм генерации поля эхо-сигнала
Гидрофизические данные задаются следующими параметрами: «Гидрология» - содержит профили вертикального распределения скорости звука. «Тип поверхности» - дает возможность задать коэффициент когерентного отражения от поверхности таблично либо по формуле зависящей от скорости ветра. «Волнение в баллах» - задается волнение в баллах «Тип дна» - вычисляются коэффициенты отражения для одной из следующих моделей дна - 3 типа расчленённости, полупространство, абсолютное поглощение, абсолютное отражение, таблично.
Коэффициент «Обратного рассеяния от дна» - задается коэффициент обратного рассеяния от дна в модели индикатрисы Ламберта. Коэффициент «Обратного рассеяния от поверхности» - задается коэффициент обратного рассеяния от поверхности.
Набором базовых импульсов является группа последовательно повторяющихся сигналов, из которых- формируется излучаемая пачка сигналов в зависимости от выбранного режима излучения.
Создания или редактирование набора базовых импульсов осуществляется через соответствующую форму. Данная форма позволяет задавать или изменять следующие параметры: Тип сигнала (Тон, ИГЧМ) Мощность сигнала в Вт. Несущая частота задается как номер из пяти эталонных частот расположенных по возрастанию Длительность сигнала задается как номер из трёх возможных длительностей расположенных по возрастанию Полоса частот (только для ИГЧМ) задается как номер из двух возможных расположенных по возрастанию полос. Временной интервал имитации
В данной опции задается начальное и конечное время генерации от начала излучения первого зондирующего сигнала. 4.4 Параметры пачки сигналов Параметры пачки сигналов представлены следующими параметрами: «Режим излучения»: ННИ КО — ненаправленное излучение круговой обзор ННИ СО — ненаправленное излучение секторный обзор НИ КОП - направленное излучение круговой обзор с переключением НИ СОП — направленное излучение секторный обзор с переключением НИ КОВ — направленное излучение круговой обзор с вращением НИ СОВ — направленное излучение секторный обзор с вращением «Сектор обзора» - для режимов направленного излучения сектор обзора необходимо задавать в пределах от 33.75 до 135 с шагом изменения ширины сектора 11.25; для ненаправленного излучения сектор необходимо задавать в пределах от 33.75 до 140 с шагом изменения ширины сектора
«Направление» - направление вращения или переключения характеристики направленности. «Количество циклов» - количество циклов излучения (от 1 до 5). 4.5 Параметры цели Параметры цели представлены следующими опциями: «Количество» - количество целей (от 1 до 10). X, Y, Z - координаты цели в км (Z - глубина). «Скорость» - скорость цели в узлах. «Направление» - направление движения цели в градусах относительно направления движения носителя. «Эквивалентный радиус» - эквивалентный радиус цели в м «Шумность» - шумность цели в ПаЛ/Гц На рис. 19 приведена схема расположения носителя в принятой системе координат.
Сигнал, излучаемый целью. В соответствующей форме выбирается базовый сигнал и задается время начала излучения. Для сигнала, излучаемого целью, из набора базовых импульсов берётся только один первый импульс! Режимы наблюдения и поля сигналов и помех Оператору предоставляется возможность сгенерировать отдельные поля сигналов из указанного списка («Собственный шум», «Реверберация», «Эхо-сигнал», «Сигнал ШП», «Сигнал ОГС»), либо задать режим наблюдения из указанного списка («ГЛ», «ШП», «ОГС») РОССИЙСКАЯ
В качестве контрольного примера были рассчитаны поля сигналов и помех для следующих условий. Условия распространения соответствовали зимним условиях Баренцева моря, волнения поверхности 3 балла, модель дна - 3 тип расчлененности. Количество целей - три, их координаты (x,y,z) в км: (7.7,0.5,0.1), (8,0,0.006), (10,10,0.006), векторы скорости (скорость в узлах, направления в град): (3 узла, 15), (2 узла, 100), (6 узлов, 50), шумности в ПаЛ/Гц:- 0.05,0.02, 0.03, эквивалентные радиусы в м : 10, 20,10. Первая цель излучала активный сигнал: ИГЧМ с fo = 2,97 кГц, /Sf = 0,54 кГц, Ts = 0,022 сек. Антенна «Комплекса» работала в режиме кругового обзора с переключением, излучая пачку из 23 сигналов. Генерировались поля сигналов и помех в интервале времени от 10 сек до 40 сек от момента времени излучения первого сигнала.
Временной интервал имитации
Для разработки аппаратной части тренажера необходимо знать трудоёмкость выполняемой задачи. Для этого необходимо произвести оценку требуемых операций в единицу времени !) и необходимого объёма памяти (Ор) при моделировании полей сигналов и помех.
Основными параметрами, которые влияют на требования к вычислительной системе, являются число приёмников (Nr) и частота дискретизации (Fd): Весьма широкий класс стационарных и корабельных систем представлен системами с количеством приёмников не превышающим нескольких сотен и частотой дискретизации;до 20кГц (Малый класс ГАК). Более сложные системы могут состоять из нескольких тысяч приёмников и частотой дискретизации до 200кГц (Большой класс ГАК).
В идеальной системе предполагается, что все необходимые данные для вычислений находятся в оперативной памяти; и доступ к этим данным занимает минимальное время. Так как увеличение памяти прямо пропорционально увеличению числа приёмников и(или) частоты дискретизации, то расчеты по необходимому объёму оперативной памяти будут проводиться исходя из максимальных значений Fd и Nr.
Расчет необходимых вычислений для генерации корабельной помехи в единицу времени. Для режима ГЛ и: ОГС необходимо заранее сформировать комплексную матрицу спектральных плотностей размерности Nr (Nr є), и затем умножить её на случайную комплексную; матрицу размерности (Nr e) Fd. Реальная часть получившегося массива есть искомая матрица. Таким образом: где є - доля существенных значений матрицы спектральных плотностей, 4 - это коэффициент равный количеству арифметических операций для комплексных чисел, 8 - число байт памяти для хранения одного числа массива, 2 - коэффициент для хранения в памяти комплексного числа
На рис.30 представлены графики зависимости требуемых вычислительных мощностей от числа приёмников и частоты дискретизации. Верхний график отражает требуемую производительность для «Малого класса ГАК», нижний график для «Большого класса ГАК». Количество требуемой оперативной памяти может достигать 2.67 109 байт.
Число приёмников и Частота дискретизации 8 Число приёмников О О Частота дискретизации Рис.ЗО.Задача - генерация поля собственной помехи в режиме ГЛ и ОГС Для режима ПШ необходимо произвести те же операции, что и для режимов ГЛ и ОГС, плюс обратное преобразование Фурье по частоте для каждого приёмника.
На рис.31 представлены графики зависимости требуемых вычислительных мощностей от числа приёмников и частоты дискретизации. x Число приёмников
Задача - генерация поля собственной помехи в режиме ШП 6.2 Расчет необходимых вычислений для генерации реверберационной помехи.
Поскольку реверберационная помеха неоднородное нестационарное поле, то мгновенный угловой спектр реверберации для каждого момента времени будет другой. Соответственно в отличие от предыдущих режимов, матрицу спектральных плотностей необходимо насчитывать на каждом временном интервале на всей длительности генерации.
Для каждого сигнала вычисляется спектр. (Вектор длинной Nco) Этот вектор умножается на случайную комплексную матрицу (4 Nco Nr s) От получившейся матрицы берётся обратное преобразование Фурье для перевода этой матрицы из частотной во временную область (2 N Iog2(2 N00)) Далее происходит умножение на корень из матрицы спектральных плотностей для соответствующего момента времени, И затем получившаяся матрица в соответствующий момент времени добавляется в результирующий массив Далее вся процедура повторяется для каждого момента времени и для каждого излучённого сигнала
Число приёмников 0 о Частота дискретизации где 4 - коэффициент равный количеству арифметических операций для комплексных чисел, Nc - количество имитируемых целей, N1 - число лучей, Ts - средняя длительность излучаемого сигнала Число приёмников О 0 Частота дискретизации Рис.34. Задача - генерация поля полезного сигнала врелсиме ОГС при N1=10, Nc=3, Ts=0.022ceK. 6.5 Расчет необходимых вычислений для генерации поля полезного сигнала в режиме ШП.
В режиме ШП формула расчёта необходимых вычислений имеет вид: Nz=4 Fd Nc Nl (Nr + 2 1о&(2 Nco)); где 4 - коэффициент равный количеству арифметических операций для комплексных чисел, Nc - количество имитируемых целей, N1 - число лучей, Na - число частот участвующих в формировании случайного процесса требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в \ режиме реального времени для «малого класса ГАК».
Основными режимами работы современных ГАК для которых необходимо имитировать помехосигнальную обстановку являются режимы ШП, ОГС и ГЛ.
Для режима ШП необходимо в режиме реального времени генерировать собственную помеху и поле, полезного сигнала. Из представленных графиков видно, что система для; генерации; собственной: помехи должна выполнять до 8 10 операций в секунду, а для генерации поля полезного сигнала в этом режиме необходимо выполнять до 8 10 операций в секунду. Соответственно вычислительная система должна обладать. производительностью порядка 0.8 гигафлопс.
Для режима ОГС необходимо в режиме реального времени генерировать собственную помеху и поле полезного сигнала: Из представленных графиков видно, что система для генерации собственной помехи должна выполнять до 8 10 операций в секунду, а для генерации поля; полезного сигналаї в этом режиме необходимо выполнять до 2;5 107 операций в: секунду. Соответственно вычислительная система должна обладать производительностью, как и для предыдущего режима, порядка 0.8 гигафлопс.
Для режима ГЛ; необходимо в режиме реального времени генерировать собственную помеху, реверберационную помеху и эхо-сигнал. Из представленных графиков видно, что система для генерации собственной помехи; должна выполнять до 8 108 операций в- секунду. Генерация реверберационной помехи требует выполнения до 2.5 109 операций в секунду. И, наконец; - при генерации эхо-сигнала необходимо выполнять до 2:5 10 операций в секунду. Соответственно вычислительная система должна обладать производительностью порядка 3.5 гигафлопс. Из всего выше сказанного ясно, что имитацию помехосигнальной обстановки в режиме.; реального времени для «малого класса ГАК» можно реализовать- на современном офисном компьютере с установленной дополнительной платой с; сигнальными процессорами класса ADSPS20IS производительностью 3.6 гигафлопса.
Основные требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени для «Большого класса ГАК».
Для режима ШІГ необходимо в режиме реального времени: генерировать собственную помеху и поле полезного сигнала; Из представленных графиков; видно, что система для генерации собственной помехи должна выполнять до 12 1011 операций в секунду, а для генерации поля полезного сигнала в этом режиме необходимо выполнять до 8 109 операций в секунду. Соответственно вычислительная система должна: обладать производительностью порядка 1.3 терафлопса.
Для режима ОГС необходимо в; режиме: реального времени генерировать собственную помеху и поле полезного сигнала. Из представленных графиков видно, что система для; генерации собственной помехи должна выполнять до 12 10 операций в секунду, а для генерации поля полезного сигнала в этом режиме необходимо выполнять до 2.5 10 операций в секунду. Соответственно вычислительная система; должна обладать производительностью, как и в режиме ШП, порядка; 1:3 терафлопса:
Для? режима ГЛ необходимо в режиме реального времени генерировать собственную помеху, реверберационную помеху и ; эхо-сигнал. Из представленных графиков видно, что система для,генерации собственной помехи должна выполнять до 12 10п операций в секунду. Генерация реверберационной помехи требует выполнения до 4 10 операций в секунду. И, наконец, при генерации эхо-сигнала необходимо выполнять до 2.5 10
Расчет необходимых вычислений для генерации поля эхо-сигнала
Алгоритмы расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах определяются условиям излучения, рассеяния и распространения в морской среде [24, 49, 15]. В режиме ГЛ полезным сигналом является поле эхосигнала, а полями помех - корабельная помеха и морская реверберация. В режимах ШП и ОГС помехой является корабельная помеха, а поля полезных сигналов определяются; функцией ; Грина, океанического - волновода. Во всех режимах шумами моря по сравнению с корабельной помехой мы будем пренебрегать, поскольку согласно ТЗ их- мощность на два порядка меньше мощности корабельной помехи.
Алгоритм пространственно-временной обработки. для решения задачи обнаружения цели. Модель измерения в частотном представлении имеет вид [26]: Р(О)НА,И) + /7Т(Ш)). (25) Здесь вектор р(со)) = \p\(co),...,pN (со)\- комплексный спектр измерения звукового давления на приемниках антенны. Вектор \pN(a )) - комплексный спектр давления поля помехи, pi(to)) - комплексный спектр давления полезного сигнала. Поле помехи распределенной по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и матрицей спектральных плотностей
Поле полезного сигнала, также распределенного по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и матрицей спектральных плотностей:
Ks(a)) = \G(z0,a)))(G(xQ,w)\ es(a ). (26) Здесь xo - координаты цели, G(xo, х, со) - функция Грина морского волновода, aes( a); - спектральная плотность излучаемого сигнала. Матрица Ks( y) является диадной ) матрицей, поскольку источник сигнала - точечный (по сравнению с расстоянием до приемника), а флуктуациями среды за время наблюдения порядка нескольких десятков секунд можно пренебречь.
Эта статистика оптимальным образом подавляет помеху и когерентно-собирает в единое целое фрагменты многолучевого поля: сигнала.. Для этого необходимо априори знать матрицу спектральных плотностей помехи и параметры морского волновода для того, чтобы с точностью до фазы предсказать поле сигнала. Конечно; матрица спектральных плотностей априори нам не может быть известна, но ее можно измерить в реальном масштабе времени и. в выражении (25) подставить ее оценку. В качестве фазора вместо функции Грина возьмем набор плоских волн с направлениями; прихода е,. В этом? случае мы получим следующую решающую статистику:
Этот алгоритм обработки \ сигналов адаптивно подавляет помеху,. если же отказаться и от адаптации к помехе, то приходим к алгоритму Бартлета [70]:
Отношение сигнал/помеха (ОСП), которая характеризуют качество решения задачи обнаружения для статистики (25) имеет вид:
Здесь Г - длительность наблюдения, /н,в нижняя (верхняя) граница спектра обрабатываемого сигнала, А/ =/в -Л - полоса.
Часто для адаптации к помехе используют алгоритм Кейпона по выходу сформированных ХН. При этом корреляцией помехи по выходу ХН в горизонтальной плоскости пренебрегают и обращают матрицу спектральных плотностей помехи на выходе вертикального веера ХН. Эта матрица имеет вид: Здесь %ij - углы компенсации в вертикальной плоскости, a pi = q j угол компенсации в горизонтальной плоскости. Теперь упростим интегралы по частоте в выражениях (31), (32), (33). Матрица спектральных плотностей собственной помехи и шумов моря медленно меняется по частоте. Матрица спектральных плотностей поля сигнала из-за его многолучевого характера — осциллирующая функция частоты. Если минимальная задержка между сигнальными лучами меньше, чем интервал корреляции сигнала, то интеграл в выражении (31) упростится:
В этих выражениях - число лучей от цели, пришедших в фазовый центр ПА, Ам if) - их амплитуды- фазоры, соответствующие пришедшим лучам с направлениями прихода ел.
В выражениях (38), (39), (40) нет осциллирующих функций, ив настоящей методике их вычисление производится на компьютере. При этом в полосе сигнала (fH,fv) задается сетка частот, на которой вычисляются лучевые параметры поля сигнала и матрица спектральных плотностей помехи. После чего интеграл вычисляется методом трапеций.
Здесь вектор jр(а )) pi(c) Рмк(р)\ комплексный спектр измерения распределения давления на элементах ПА, \ры(а )} - комплексный спектр поля аддитивной шумовой помехи, j/?R(o)) - комплексный спектр реверберационной помехи, \р1(а))).- комплексный спектр поля эхо-сигнала, отраженного от цели. Векторы р {о )) и \pR(co)) распределены по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и матрицами спектральных плотностей Кц(а ) и КЦ(Й , /). Вектор \рг( )) детерминированный вектор с неизвестными параметрами. В лучевом приближении для функции Грина вектор рт(а )) имеет вид:
