Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные методы обработки гидролокационных данных, некоторые отечественные гидролокационные средства, их параметры и характеристики 10
1.1.Задачи, решаемые гидролокаторами бокового обзора и интерферометрами 10
1.2. Методы обработки и фиксации (регистрации) гидролокационной информации 15
1.3. Некоторые отечественные гидролокаторы бокового обзора и интерферометры, их параметры и характеристики 28
Выводы 40
Глава 2. Методы обработки акустических изображений, повышающие их качество и выявляющие дополнительную информацию, содержащуюся в изображениях 41
2.1.Применение медианных фильтров при обработке акустических изображений 42
2.2. Трехмерная реконструкция объектов по длине акустической тени на изображении 59
2.3.Томографический способ реконструкции объектов по нескольким акустическим изображениям 66
2.4.Получение трехмерной информации о рельефе методом интерферометрии 70
2.4.1.Построение изображений (карт) с линиями равных глубин. 8 0
2.4.2. ЗБ-представление объектов 85
2.5.Объемное (стерео) представление гидролокационных изображений с использованием анаглифа и стереопары 94
Глава 3. Оснащение гидролокатора бокового обзора «мезоскан» дополнительным каналом регистрации сигнала с увеличенными возможностями обнаружения и различения малоконтрастных объектов
Заключение 123
Список литературы 126
- Методы обработки и фиксации (регистрации) гидролокационной информации
- Некоторые отечественные гидролокаторы бокового обзора и интерферометры, их параметры и характеристики
- Трехмерная реконструкция объектов по длине акустической тени на изображении
- Оснащение гидролокатора бокового обзора «мезоскан» дополнительным каналом регистрации сигнала с увеличенными возможностями обнаружения и различения малоконтрастных объектов
Введение к работе
Актуальность темы. Для исследования дна рек, озер, морей и океанов широкое применение нашли системы гидролокации.
Наиболее информативными из них являются гидролокаторы бокового обзора (ГБО), особенно интерферометрические. Полученные с их помощью акустические изображения содержат большое количество информации о состоянии донной поверхности.
Но не всегда оператор может увидеть структуру и особенности дна, обнаружить и распознать объекты из-за наличия помех, флюктуации самого сигнала, слабой контрастности объектов и особенностей зрительного восприятия изображения человеком, а также из-за других факторов, маскирующих часть полезной информации.
Несмотря на множество методов обработки информации и формирования на ее основе изображений создать универсальные эффективно работающие методы вторичной обработки информации для всех случаев не представляется возможным. Поэтому задача разработки методов вторичной обработки данных, позволяющих выявить указанную информацию, является актуальной.
Эти методы могут базироваться как на извлечении такой информации из уже имеющихся акустических данных, так и на формировании из набора разных акустических данных синтезированных изображений, помогающих оператору обнаружить и распознать объект, а также выявить качества и свойства сканируемого объекта.
Целью работы является разработка методов обработки гидроакустических данных, повышающих качество изображений и выявляющих дополнительную информацию, содержащуюся в них.
5 Основные положения диссертационной работы, выносимые на
защиту:
Технология (методики) и программные средства обработки данных
гидролокационных средств, обеспечивающие:
Обнаружение объектов, замаскированных помехами (шумами) или имеющих низкую контрастность на донной поверхности, а также оценка их структуры на основе использования свойств медианных фильтров, порогов сравнения сигнала и цветового выделения объекта и его структуры.
Трехмерную реконструкцию искусственных объектов за счет использования длины акустической тени для определения третьей координаты (высоты) контура объекта за один или несколько точно скоординированных с объектами галсов под разными углами к ним (томография).
Трехмерное (3D) представление рельефа дна и объектов на нем под любым задаваемым ракурсом на основе объединения данных яркостного (амплитудного) и батиметрического каналов интерферометрических ГБО с помощью стандартных программных пакетов AutoCad, 3DStudioMax и специальной программы преобразования данных.
Синтез стереоскопических изображений рельефа и объектов на нем по данным ГБО за счет использования при расчете параллакса длины акустической тени, эхолотных промеров или информации о глубине точки рельефа по данным батиметрического канала интерферометрического ГБО.
5. Оснащение ГБО «Мезоскан» дополнительным каналом регистрации
сигнала с увеличенными возможностями обнаружения и регистрации
малоконтрастных объектов за счет использования стандартной
24-разрядной звуковой платы (вместо 8-разрядной штатной), алгоритмов и
программ, позволяющих из всего объема выходной информации выделять
и отображать только ту часть, которая интересует оператора.
Научная новизна диссертационной работы.
По п.1 основных положений, выносимых на защиту, предложен эффективный алгоритм выделения объекта, замаскированного помехами, и его структуры.
По п.2 - предложен алгоритм определения по длине акустической тени третьей координаты объекта и его синтеза в трехмерном виде на основе обработки одного или нескольких снимков, полученных под разными ракурсами.
По п.З - предложено использовать особенность поведения фазовой функции на выходе измерителя фазы батиметрического канала интерферометрических ГБО в точках перехода фазы через 2яп (n=0,l,2...N) для построения на изображении амплитудного канала линий равных глубин с целью выявления объектов, не имеющих контраста к фону, а также за счет совместного использования данных батиметрического и амплитудного каналов предложен синтез 3D-изображений объектов с помощью стандартных программных пакетов AutoCad, 3DStudioMax и специальной программы согласования форматов данных этих пакетов и ГБО.
По п.4 - для расчета параллакса при формировании стереопар из «плоских» изображений ГБО предложено использовать длину акустической тени, данные эхолота или батиметрического канала ГБО.
По п. 5 - предложены алгоритмы и программы обработки, позволяющие выделять из всего объема выходной информации ГБО только те объекты, которые интересуют оператора, в т.ч. малоконтрастные объекты и структуры, и отображать их штатными средствами за счет существенного уменьшения количества уровней цветовой палитры (оттенки серого цвета).
7 Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут использоваться для:
Обработки акустических изображений дна водоемов в условиях флюктуационных помех при малом отношении сигнал/помеха.
Реконструкции отдельных объектов.
Создания при площадной съемке с помощью интерферометрических ГБО топологических карт поверхности дна, над которым проходит судно, и синтеза ЗО-изображений выбранного участка под любым ракурсом.
Создания объемной (стерео) картины рельефа дна и объектов на нем.
Расширения возможностей ГБО «Мезоскан» по обнаружению и исследованию малоконтрастных объектов за счет его оснащения дополнительным 24-разрядным каналом, специальными алгоритмами и программами.
Методики и алгоритмы по пп. 1,2,4,5 использованы в качестве дополнительного оснащения ГБО «Мезоскан», в том числе при наличии данных эхолотных промеров возможен синтез качественных стереопар.
Предложенные методики синтеза ЗБ-изображений и стереопар учтены разработчиками интерферометрического ГБО «Кедр» ИРЭ РАН в качестве возможного подхода для разработки алгоритмов и программ синтеза указанных изображений.
Результаты диссертационной работы получены при частичной
поддержке подпрограммы Федеральной целевой программы «Мировой
океан» п. 14 (2004-2005), Межвузовской научно-технической программы
«Фундаментальные физико-математические и прикладные исследования в
области критических технологий», направление «Технология
формирования и обработки сигнала и сигнальных полей в
информационных-телекоммуникационных системах» по теме
№ 1128980/С 728 (1998-2000).
8 Фактический материал. Фактические материалы получены с помощью ГБО «Мезоскан» в экспедициях, проводившихся Институтом Океанологии им.П.П.Ширшова (ИО РАН), а также другими отечественными и зарубежными гидролокаторами бокового обзора и интерферометрическими гидролокаторами бокового обзора «Кедр» и АГКПС-300 (ИРЭ РАН).
Личный вклад автора. Все результаты диссертационной работы получены автором лично. Автор разработал методики и алгоритмы обработки и представления данных ГБО и осуществил их проверку на фактическом материале. Автор также предложил методики и программные средства обработки и представления изображений, формируемых на основе данных интерферометрических ГБО, и проверил их работоспособность при обработке данных, полученных системой «Кедр» и АГКПС-300 ИРЭ РАН. Кроме того, автор предложил и на фактическом материале проверил алгоритмы и программы обработки данных ГБО «Мезоскан», расширяющие его возможности по обнаружению и различению малоконтрастных объектов и выявлению их структуры. Во всех проведенных исследованиях вклад автора был определяющим.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на семинарах лаборатории гидролокации дна ИО РАН, на Международных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и стажеров МЭИ «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (VII, Москва, 2001г., XII, Москва, 2006г.), International Symposium on Satellite Communications and Remote Sensing (Yantai, 1999), конференциях: «Международная научно-практическая конференция «Развитие подводной деятельности в СССР и России» (2004г.), IX Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований» (2005г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы метрологии гидрофизических измерений ПМГИ-2006» (2006г.), IX
9 Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (2008г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 2 статьи в журнале Океанология, 1 статья в журнале Исследование Земли из космоса, 1 статья в сборнике Радиотехнические тетради МЭИ, 11 докладов на конференциях и 1 отчет по научно-исследовательской работе. Все публикации подготовлены автором лично и ему принадлежат основные идеи и постановка задачи в опубликованных работах.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, трех глав, включающих в себя 5 разделов и два подраздела, заключения, а также списка литературы и приложений. Она содержит 102 страниц текста, 59 рисунков и 66 наименований литературы.
Методы обработки и фиксации (регистрации) гидролокационной информации
Методы обработки акустической информации делятся на несколько больших классов: 1. Методы фиксации и предварительной обработки акустической информации. 2. Методы борьбы с помехами. 3. Методы, способствующие обнаружению плохо различимых объектов. 4. Методы, способствующие распознаванию объектов. 5. Методы получения трехмерной информации за один галс. 1.Методы фиксации и предварительной обработки акустической информации. Методы фиксации и предварительной обработки акустической информации развивались параллельно с развитием самих ГБО и с общим развитием цифровой техники. В начале 60-80-х годов набор этих методов был ограничен как из-за возможностей самих ГБО, так и из-за ограничений в средствах отображения. Сначала акустическая информация, поступавшая от ГБО, фиксировалась на электрохимическую и электротермическую бумагу. На рис. 1 приведен пример таких изображений. -С:
Регистрация изображений на электрохимической бумаге. Использование возможностей вычислительной техники позволило повысить качество акустических изображений, которые теперь можно сравнить с фото изображениями. Современные системы обработки информации в ГБО включают запись информации на жесткий носитель, коррекцию геометрических ошибок, навигационную привязку, построение мозаики. При этом обработка данных может осуществляться как в реальном времени, так и в режиме постобработки.
Данные представляются в виде матрицы, где каждое значение элемента матрицы соответствует значению интенсивности определенного цвета. В различных средствах отображения палитра может быть различна и выбирается оператором. По желанию оператора может меняться яркость или контрастность акустического изображения. Интересующий объект может быть выделен в отдельное окно для последующей работы с ним. Например, такая возможность реализована в программе обработки акустической информации фирмы Hypek (Paper of Klei Associates Inc., 2005).
Во всех средствах отображения применяется способ масштабирования представленных данных, при этом количество точек в матрице, выводимой на экран, сокращается и соответствует количеству точек на дюйм для используемого регистрирующего устройства (монитора, принтера и др.). Программа также может включать управление независимыми окнами, изменение разрешения, сравнение, регистрацию, классификацию, расположение, время и обзор, целевые слои, повышенное разрешение для особенности, которая может располагаться в отдельном навигационном окне. Дополнительно может быть включена информация от датчиков глубины, температуры и т.п., которая может быть показана в нескольких форматах. Кроме того, используются средства сравнения данных и навигационная привязка, средства редактирования и др. В отечественных блоках обработки акустической информации набор возможностей и функций значительно уже. Например, в блоке «RASTR» ГБО «МЕЗОСКАН» возможность использования информации от разных каналов ограничена, нет возможности выделять объект на выровненном фоне окном и использовать разные палитры цвета (используется только 256 оттенков серого).
Помехи, проявляющиеся на акустических изображениях, имеют разную природу и связаны как с условиями отражения от разных участков грунта, так и с характеристиками приемо-передающего тракта.
В теории обработки сигналов для обнаружения объектов на фоне помех применяется оптимальный согласованный фильтр. В большинстве ГБО используется ультразвуковой импульс. В случае, когда зондирующий импульс является простым ультразвуковым импульсом, для обработки акустической информации используется полосовой фильтр, ширина полосы пропуская которого согласована с длительностью зондирующего импульса. В случае, когда зондирующий импульс является линейно-частотномодулированым (ЛЧМ) импульсом, — используется метод сжатия сложного ЛЧМ сигнала. Использование современных средств вычислительной техники позволяет применять в цифровом варианте более эффективные методы оптимизации, обеспечивающие подавление помех до уровня, близкого к теоретическому пределу.
Объединение информации от нескольких повторяющихся галсов может повышать качество акустической информации, удаляя проблемы неоднозначного определения объектов, постоянных относительно морского дна. Уменьшение интервала между параллельными галсами также способствует улучшению качества акустических изображений.
С целью уменьшения флюктуационной (шумовой) составляющей на акустических изображениях наряду с другими средствами подавления шумов применяются медианные фильтры, а также Wavelet-разложения. Такие разложения являются не временными методами. Они теоретически обсуждаются в литературе (Murino V.,2001). Используются также временные методы, которые основаны на отделении изменяющихся объектов и помех от не изменяющихся и формировании после такой обработки синтезированных изображения. При этом изменение хода судна, временные изменения особенностей, типа беспорядка и биологического шума, могут быть подавлены. В дополнение к этому использование многократных алгоритмов обнаружения для нескольких галсов позволяет также снизить влияние помех (Methods, 1998).
Некоторые отечественные гидролокаторы бокового обзора и интерферометры, их параметры и характеристики
Спектр современных отечественных систем бокового обзора не велик. Качество изображений, формируемых на основе их данных, в первую очередь детальность и контрастность, за последние годы существенно улучшились. Это связано с широким использованием в гидролокационных средствах современных цифровых методов формирования и обработки сигналов, а применение в них современной элементной базы существенно уменьшило массогабаритные характеристики гидролокационных средств и сделало их "умными" и удобными в эксплуатации.
Гидролокатор «Гидра» специально разрабатывался для работы с небольших катеров и лодок и предназначен для работы при обследовании водоемов с глубиной до 50 метров. Рабочая частота гидролокатора выбрана величиной 240 кГц, что позволило сделать малогабаритную антенную систему и получить высокое разрешение по дальности (4 см). Столь высокое разрешение по дальности вместе с использованием в гидролокаторе цифровых методов обработки и формирования сигналов позволило получать высококачественные акустические изображения дна, а использование линейно-частотномодулированного зондирующего сигнала - увеличить его дальность действия. Примеры акустических изображений, полученных ГБО "Гидра", приведены на рис.6,7. На рис.6 отображен участок дна Черного моря в месте впадения в него реки и рис.7 - фарватер реки в районе Архангельска.
Разработка технологий обследования морского дна гидролокационными методами ведется в Институте океанологии им. П.П.Ширшова Российской Академии наук (ИО РАН) на протяжении почти 30 лет. Одни из первых геоморфологических исследований с использованием гидролокатора бокового обзора были осуществлены в Белом море в 1974 году. Более поздние работы связаны с глубоководными исследованиями и поисковыми работами в различных районах Мирового океана и разработками соответствующей техники. Для этих целей в Лаборатории гидролокации дна (ЛТД) ИО РАН был создан ряд гидролокационных приборов, подводных аппаратов, комплексов, методик проведения глубоководных работ и исследований.
В последнее время акцент в разработках технологии гидролокационного обследования дна сместился в область создания средств и методик для работ и исследований на шельфе, морском мелководье и во внутренних водоемах. Технологии гидролокационного обследования дна водоемов, разработанные в Лаборатории гидролокации дна Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН, применяются для решения следующих научных и прикладных задач: поиск небольших объектов на дне; картирование распространения геологических и биологических объектов (например, колоний моллюсков); определение планового и высотного положения, а также контроль состояния подводных кабелей и трубопроводов; обследование и контроль состояния подводных частей гидротехнических сооружений; поиск затонувших судов и самолетов; геологические, гидрографические и экологические исследования и изыскания; обследование трасс прокладки подводных кабелей и трубопроводов. В настоящее время в ИО РАН для решения указанных задач, а также для фундаментальных исследований и контрактных работ используются четыре аппаратурных гидролокационных комплекса, система обработки и программного обеспечения. Одним из этих комплексов является высокочастотный гидролокационный комплекс, в состав которого входит гидролокатор бокового обзора для шельфовых и средних глубин «Мезоскан». Он состоит из буксируемого носителя с гидролокационной аппаратурой и судового электронного блока.
Цифровой блок включает аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программные средства и средства отображения информации. В качестве программного обеспечения используется программный пакет Winrastr.
В рабочем окне программы могут быть просмотрены файлы изображений, выбраны фрагменты для распечатки, оцифрованы профили и контуры. Цифровой блок (блок RASTR) состоит из аналого-цифрового преобразователя, устройства временного хранения, накопления и постобработки поступающей по 3 каналам гидролокационной информации, а также обработки навигационной информации, поступающей от судовой системы GPS. На рис.8 приведен буксируемый носитель, на рис.9 представлена блок-схема цифрового блока «RASTR».
Трехмерная реконструкция объектов по длине акустической тени на изображении
Установлено, что при высокой разрешающей способности, характерной для ГБО, когда размеры элемента разрешения намного меньше размеров объекта, возникает область акустической тени.
При настильных углах визирования, когда возникает ситуация затенения, акустическая тень содержит информацию о возвышении (высоте) элементов рельефа поверхности и объектов на ней. Высота может быть определена простым умножением тангенса угла визирования на длину акустической тени (Яковлев А.Н. и др., 1983; Wong Н.К., Chesterman W., 1968; Сажнева А.Э., 2005). Конечно, нельзя говорить о точном восстановление высоты из-за существующих искажений проекции объекта, из-за неточной прорисовки акустической тени, вызванной флуктуациями амплитуды, из-за неточного определения длины акустической тени, а также при низкой контрастности объекта.
Интенсивность Jd сигнала, приходящего из области тени уменьшается и будет определяться лишь интенсивностями объемной реверберации J0 и шумом JM. Следовательно, в соответствующем участке огибающей E(t) реализации входного процесса образуется своеобразный провал - импульс «элементарной тени». Длительность последнего определяется размерами объекта и углом облучения, а контрастность тени по амплитуде (глубина провала) находится из выражения где Кт - контрастность тени. При j0»jw получим (Яковлев А.Н. и др., 1983) Km=pJJ0 Как показано в (Яковлев А.Н. и др., 1983), после соответствующих преобразований Km=Rd/Ro=K0/r, где К0 = adhd/an - коэффициент пропорциональности; Rd- эффективный радиус донной реверберации; R0- эффективный радиус объемной реверберации; ад- коэффициент донного рассеяния; hd- глубина дна; а„ - коэффициент, характеризующий затухание сигнала в водной толще; г - расстояние по наклонной дальности. Как видно, с ростом расстояния контрастность тени уменьшается и при Кт«1 элементарная тень исчезает. Дополнительное снижение величины Кт с расстоянием происходит также вследствие влияния дифракции. Что же касается контрастности отраженного сигнала, то при боковом обзоре она от расстояния не зависит, так как интенсивности отраженных сигналов и донной реверберации убывают с расстоянием по одной зависимости (Яковлев А.Н. и др., 1983). Акустическая тень от объекта, образующаяся при высокой пространственной разрешающей способности гидролокатора бокового обзора, представляющая собой как бы геометрическую проекцию объекта на дно, изображается на регистраторе вывода информации в виде плоской фигуры, контуры которой несут информацию о форме контура и размерах объекта.
Тем не менее, произвести дальнейшее распознавание объектов по фигуре, образуемой в поперечном сечении (круг, кольцо, эллипс, многогранник и т.п.) невозможно. Углубления дна также могут дать тень правильной конфигурации. Поэтому необходимо использовать ряд дополнительных признаков структуры отраженного сигнала.
Распознавание по «тонкой структуре» отраженных сигналов визуально осуществляется оператором при наличие некоторого опыта. Полученное «тенеграфическое» изображение может использоваться для определения высоты рельефа донной поверхности и реконструкции объектов, в т.ч. в трехмерном виде. Указанный в (Яковлев А.Н. и др., 1983; Сажнева А.Э., 2005) алгоритм наиболее целесообразно применять для определения простых протяженных форм. Таких, как затопленные бревна, элементы гидротехнических сооружений и т.п. Все объекты искусственного происхождения имеют четко выраженные формы в виде блестящих точек на амплитудном изображении и более, менее четкую прорисовку тени в виде области с отсутствующим сигналом, поэтому реализация подобного метода трехмерной реконструкции искусственных объектов не требует особых усилий. При указанной реконструкции выполняются следующие операции: 1. Принудительная прорисовка тени объекта (исключение помех) для уменьшения ошибок определения размера тени. 2. Определение высоты объекта над дном по длине акустической тени. 3. Трехмерная реконструкция объекта, дающая представление о его форме. Листинг компьютерной программы обработки приводится в приложении 3 (Сажнева А.Э., 2005). На рис.23,24 приведены примеры реконструкции объектов по длине акустической тени. Использованы данные, полученные при обследовании акватории Саяно-Шушенской ГЭС и во время экспедиций в Норвежском море. Последовательность операций демонстрируют рисунки: 1. Рис.23 а,24а - исходное акустическое изображение. 2. Рис.236,246 - принудительная прорисовка тени объекта. 3. Рис.23в,24в - трехмерная реконструкция объекта. Рис.23 Акустическое изображение бетонного куба, полученное с помощью гидролокатора «Мезоскан» при обследовании Саяно-Шушенской ГЭС: а - исходное изображение, б - изображение с принудительной прорисовкой тени, в - объект в трехмерном представлении.
Акустическое изображение подводной лодки «Комсомолец», полученное с помощью гидролокатора «Мезоскан» во время экспедиций в Норвежском море: а - исходное изображение, б - принудительная прорисовка тени, в - объект в трехмерном представлении. 66
В отличие от объектов искусственного происхождения реконструкция природных объектов - непростая задача. Когда на акустическом изображении природные гребни ярко и четко выражены, а тень хорошо прорисовывается, то задача упрощается. Однако при такой реконструкции рельеф аппроксимируется вертикальными и горизонтальными плоскостями, что существенно искажает его форму, но при этом изрезанность рельефа четко выделяется, что в ряде случаев может быть полезным, например, при укладке кабелей и трубопроводов вдоль борозд, а также оценке маскирующих способностей борозд при поиске мелких объектов.
В то же время реконструкция рельефа такого, как песчаные гряды, впадины, косы и т.п. может оказаться проблематичной. Модель такой поверхности - это модель пологих неровностей, среднеквадратичная высота которых превышает критическую высоту, связанную с возникновением эффекта затенения при настильных углах. Для таких рельефов возникают сложности определения длины акустической тени из-за низкого уровня отраженного сигнала и флюктуации амплитуды. Эти ошибки можно снизить с помощью медианной фильтрации, искусственного повышения контрастности и уменьшенияірадаций серого.
Подобная реконструкция в подавляющем большинстве случаев выполняется как промежуточный этап при последующей обработке изображений, например, при синтезе стереопар.
Оснащение гидролокатора бокового обзора «мезоскан» дополнительным каналом регистрации сигнала с увеличенными возможностями обнаружения и различения малоконтрастных объектов
ГБО «Мезоскан» разрабатывался в период, когда выпускаемая промышленностью элементная база не позволяла создать приемный тракт, аналого-цифровой преобразователь и интерфейс с параметрами, обеспечивающими регистрацию в цифровом виде и отображение принятого сигнала во всем диапазоне его значений без потери части информации.
Приемный тракт состоит из предварительного и основного усилителей, цифрового блока с АЦП и программным обеспечением «RASTR», схемы ВАРУ и АРУ. Сигнал с выхода предварительного усилителя фильтруется полосовым фильтром и поступает на вход основного усилителя, коэффициент усиления которого меняется с помощью схемы ВАРУ для компенсации потери интенсивности сигнала из-за поглощения водной толщей и расхождения луча из-за сферичности распространения звуковой волны и схемой АРУ для поддержания на выходе усилителя заданного уровня сигнала. Параметры регулирования схемы ВАРУ устанавливаются оператором. Он также может отключать схему АРУ и дополнительно менять коэффициент усиления усилителя. С выхода основного усилителя сигнал после детектирования линейным детектором поступает в блок «RASTR», где оцифровывается и предварительно обрабатывается в соответствии с программой работы гидролокатора. Результирующий сигнал поступает на вход компьютера для регистрации, анализа и последующей обработки. Предварительный усилитель позволяет уверенно регистрировать на его выходе входной сигнал величиной 1мкВ и усиливает без ограничения сверху и искажений входной сигнал величиной 0,5В, что соответствует динамическому диапазону входных сигналов (114дБ или 5105 раз). АЦП блока «RASTR» имеет шаг квантования 19мВ, 256 уровней отсчета (48дБ) и может обрабатывать входной сигнал величиной до 5В.
Как видно из блок-схемы, АЦП начинает обработку сигнала с уровня, почти в 2 раза большего уровня минимального сигнала и соответственно не может обеспечить различение сигналов, отличающихся друг от друга меньше, чем на 19мВ. Кроме того, АЦП ограничивает сигналы или «снизу», или «сверху», если их динамический диапазон превышает 48дБ. Схема ВАРУ, изменяя коэффициент усиления усилителя, не меняет соотношения сигналов, отраженных от объектов, находящихся на одинаковом расстоянии от ГБО. Если это соотношение превысит 256 или 48дБ (динамический диапазон АЦП), то либо теряются «слабые» сигналы (большой шаг квантования), либо «сильные» (мала разрядность).
Аналогично теряются сигналы при работе схемы АРУ, если длительность сигналов меньше постоянной времени регулирования. Если длительность сигналов больше постоянной времени регулирования, то АРУ уменьшает указанное соотношение на выходе усилителя по отношению к его входу (сжатие динамического диапазона сигналов), при этом АЦП теряет «слабые» сигналы и небольшие перепады из-за большого шага квантования. Другими словами из-за большого шага квантования и ограниченного динамического диапазона АЦП блока «RASTR», если 1) объекты находятся на предельной дальности или имеют очень низкую отражающую способность либо 2) находятся рядом и имеют небольшое различие в отражательной способности, то такие объекты в первом случае теряются, во втором регистрируются как один объект. Если рядом находятся объекты с низкой и высокой отражающей способностью, возможна потеря или «слабого» объекта, или структуры «сильного». Поэтому в ряде случаев приходится совершать повторные проходы судна с другими параметрами регулирования усилителя в ГБО для регистрации «потерянных» объектов.
Очевидно, что увеличение разрядности АЦП и уменьшение шага квантования улучшит возможности ГБО по обнаружению «слабых» объектов и различению объектов с небольшим контрастом друг относительно друга или к фона.
В связи с тем, что предварительный усилитель усиливает все входные сигналы без амплитудного ограничения и физически отделен от основного усилителя, имеется возможность подключить дополнительный канал к точке А (см. блок-схему, рис.52).
Для работы в дополнительном канале хорошим решением является использование звуковой цифровой платы (карты), предназначенной для работы в составе компьютера по следующим причинам:
1) такие платы имеют встроенный АЦП и предназначены для оцифровки, обработки и последующего воспроизведения звуковых сигналов (речь, музыка, природные звуки) практически без искажений, что обеспечивается небольшим шагом квантования (доли микровольт) большим динамическим диапазоном (больше ЮОдБ), высокой частотой дискретизации (свыше ЮОкГц) и-полосой пропускания более 20кГц, . 2) доступны.
Определим требования к величине шага квантования и динамического диапазона (разрядности) платы. Как видно, из блок-схемы, минимальный сигнал на выходе предварительного усилителя составляет ЮмкВ, максимальный, - 5В. Для. того чтобы оцифровка заметно не ухудшала возможности ГБО по обнаружению и различению «слабых» сигналов, необходимо, чтобы ошибка квантования составляла небольшую долю от минимального сигнала.
