Методы обработки экспериментальных данных гидроакустических систем для их настройки в условиях воздействия внешней среды Трусова, Оксана Ивановна

Введение к работе

Актуальность темы

Гидроакустические системы относятся к классу сложных технических систем сбора и обработки информации, функционирующих в условиях неопределенности при изменяющихся параметрах системы и характеристиках среды эксплуатации.

Сложность рассматриваемых нами низкочастотных гидроакустических систем связана со следующими их особенностями: большие массогабаритные характеристики, большое количество элементов, случайное пространственное расположение элементов на морском дне, наличие до нескольких десятков пространственно-развитых антенных подсистем, разнесенных на несколько десятков километров друг от друга. Кроме того, изменчивость подводной морской среды эксплуатации, внешней по отношению к гидроакустической системе, оказывает случайное возмущающее воздействие на работу отдельных элементов и каналы передачи информации.

Неоднородность и изменчивость морской среды обусловлена наличием градиентов солености и температуры, изменением гидростатического давления, ветровым волнением морской поверхности, турбулентностью, климатическими и гидрофизическими условиями эксплуатации.

Стационарные гидроакустические системы наблюдения низкочастотного диапазона состоят из антенных подсистем сбора информации, кабельных линий передачи информации, подсистемы обработки данных (информационно- вычислительного комплекса).

Эти системы в смысле их особенностей можно отнести также и к классу уникальных технических систем, так как в России, да и в мире существует немного действующих подобных комплексов (одни из них, системы, разработанные ОАО «НИИ «Атолл», г. Дубна). Автор имел возможность работать с экспериментальными данными этих гидроакустических систем.

В настоящее время гидроакустические системы находят свое применение при создании систем связи, систем обнаружения и определения координат подводных и надводных объектов, измерения глубин и сейсмопрофилирования дна океана, подводной навигации, управления подводными автономными аппаратами и при рассмотрении вопросов построения интегрированной системы наблюдения и передачи информации.

Комплексные испытания гидроакустической системы являются завершающим этапом ввода системы в эксплуатацию. Для данного этапа важной задачей является осуществление режима настройки и проверки эффективности существующих методов обработки на реальных экспериментальных данных и дальнейшее усовершенствование или разработка новых методов. Причем решение данной задачи осложняется условиями неопределенности проведения испытаний.

Предварительно перед началом проведения испытаний необходимо проводить оценку параметров элементов гидроакустической системы, функционирующей в реальных условиях эксплуатации морской среды, и их настройку.

Извлечение гидроакустической информации в условиях неопределенности воздействия внешней среды требует создания и применения специальных методов обработки данных на этапах настройки и ввода в эксплуатацию и при длительных условиях эксплуатации.

Методам обработки гидроакустической информации, анализа различных характеристик морской среды и параметров гидроакустических систем посвящено множество исследований в работах как зарубежных (Роберт Дж. Урик, К. Пекерис, Дж. Келлер, В. Манк (W. Munk), Дж. Пападакис, К. Вунш (C. Wunsch), и др.), так и отечественных ученых (Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов, М.Д. Смарышев, В.А. Елисеевнин, В.А. Зверев, А.Г. Лучинин, А.И. Хилько, В.Г. Петников, Б.Г. Кацнельсон, К.В. Авилов, А.И. Белов, Г.С. Малышкин, В.Н. Кравченко, Ю.С. Крюков и др.).

Данные работы большей частью являются теоретическими, с применением компьютерных моделей и лабораторными, полунатурными экспериментами, вследствие того, что проведение экспериментальных исследований в реальных условиях эксплуатации (морской среде) сопряжено со значительными затратами (материальными, временными, людскими) и необходимостью привлечения сложных технических средств.

Поэтому важными являются задачи оценки параметров антенных подсистем и характеристик среды, а также разработки методов обработки данных на этапах настройки и ввода в эксплуатацию и во время эксплуатации гидроакустических систем.

Анализ экспериментальных данных гидроакустических систем с использованием специальных методов обработки с целью настройки систем для повышения эффективности их работы является актуальным и имеющим важное практическое значение.

Объект исследования - сложная гидроакустическая система сбора и обработки информации.

Предмет исследования - методы обработки экспериментальных данных, полученных при испытаниях и опытной эксплуатации гидроакустических систем, обеспечивающие извлечение информации о параметрах элементов системы и характеристиках среды, методики использования полученных параметров и характеристик для настройки параметров системы. Цель исследования

Создание методов обработки экспериментальных данных сложных гидроакустических систем сбора и обработки информации с целью их настройки, повышения эффективности использования и улучшения

качественных характеристик функционирования в условиях воздействия внешней среды. Задачи исследования

1. Анализ состояния вопроса о методах определения характеристик среды и изменяющихся случайным образом параметров гидроакустической системы и принципов использования этих характеристик для настройки системы.

2. Разработка метода обработки экспериментальных данных гидроакустических систем для извлечения информации о значениях коэффициентов передачи приемных элементов и разработка методики настройки этих коэффициентов.

3. Обоснование метода обработки экспериментальных данных с целью получения пространственно-временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря.

4. Разработка методики использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для настройки подсистем обработки информации с целью улучшения качественных характеристик функционирования гидроакустических систем

Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы методы системного анализа и управления, статистической обработки информации, теории вероятности, теории цифровой обработки сигналов. Научная новизна

4. 1. Разработан новый метод определения коэффициентов передачи отдельных приемных элементов и предложена методика выравнивания этих коэффициентов, позволяющие осуществлять процедуру настройки параметров элементов системы без использования дополнительного измерительного оборудования.

   2. Получены новые результаты анализа пространственно -временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря, позволяющие определять параметры передаточной функции канала передачи гидроакустической информации.

   3. Предложена новая методика использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для определения параметров канала передачи информации, используемых при настройке подсистем обработки информации.

   Практическая ценность работы

   Разработанные на основе предложенных методов обработки данных алгоритмы реализованы в виде комплекса программ. Программы, внедренные в

   подсистему обработки данных (информационно-вычислительный комплекс) стационарной гидроакустической системы подводного наблюдения, разработанного ОАО «НИИ «Атолл» (г. Дубна), позволили улучшить обработку информации посредством адаптации к изменяющимся, в результате различного рода внешнего воздействия, параметрам системы и характеристикам морской среды, и позволили повысить эффективность обнаружения объектов наблюдения.

   Практическая ценность результатов диссертационного исследования Трусовой О.И. заключается в том, что они имеют существенное значение для разработки методики настройки параметров реально действующих гидроакустических систем и могут быть использованы при проектировании новых систем.

   Методические рекомендации и выводы диссертационного исследования успешно используются при обучении в университете «Дубна» бакалавров по направлению «Конструирование и технология электронных средств» в области разработки и проектирования электронных средств акустических систем.

   Указанные внедрения подтверждены соответствующими актами. Основные положения, выносимые на защиту

   4. 3. 1. Метод определения коэффициентов передачи приемных элементов гидроакустической системы и методика выравнивания этих коэффициентов позволяют оперативно проводить процедуру настройки параметров элементов системы, повышая при этом эффективность работы системы.

         2. Результаты анализа пространственно-временных характеристик поля реверберации и характеристик модовой структуры низкочастотного акустического поля мелкого моря имеют существенное значение для методики настройки подсистемы обработки гидроакустической информации в соответствии с параметрами передаточной функции канала передачи.

         3. Методика использования пространственно-временных характеристик поля реверберации и модовой структуры акустического поля для определения параметров канала передачи информации, позволяет улучшить качественные характеристики функционирования гидроакустических систем.

         Апробация работы

         Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение специалистов на следующих международных, всероссийских и региональных научных конференциях:

         15-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2009 г.);

         16-ой научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Дубна, 2009 г.);

         11-ой Международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (Москва, 2009 г.);

         1. 1. 1. 1. научной конференции по радиофизике, посвященной 85-летию со дня рождения М.А. Миллера (Нижний Новгород, 2009 г.);

                     1. школе-семинаре им. акад. Л.М. Бреховских «Акустика океана», (Москва, 2009 г.);

                     Первой конференции молодых ученых и специалистов «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (МАГ-2009) (Санкт-Петербург,

                     4. 3. 3. 1. 1. 1. г.);

                                       1. ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА» (Москва, 2010 г.);

                                       2. ой научной конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов (Дубна, 2010 г.);

                                          1. научной конференции по радиофизике, посвященной 80 -й годовщине со дня рождения Ю.Н. Бабанова (Нижний Новгород, 2010 г.);

                                          10-ой Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2010), (Санкт-Петербург, 2010 г.),

                                          Научно-технической конференции «XVI Макеевские чтения», (Москва,

                                          4. 3. 3. 1. 1. 1. 2. 1. 1. г.);

                                                                  Юбилейной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Теоретические основы применения ВМФ в сетецентрических войнах» (Петергоф, 2010 г.);

                                                                  школе-семинаре им. академика Л.М. Бреховских «Акустика океана», (Москва, 2011 г.);

                                                                  Всероссийской молодежной конференции «Молодежь и современные информационные технологии», (Воронеж, 2011 г.);

                                                                  Второй молодежной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (МАГ-2011), (Санкт-Петербург, 2011 г.). Публикации

                                                                  По теме диссертации опубликовано 13 работ. Среди них: 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК [1-4], в том числе 2 статьи [3-4], опубликованные в журналах предметной области диссертационного исследования, 1 статья в ежегодном научном журнале; 8 статей в сборниках трудов научных конференций. Личный вклад автора

                                                                  Диссертация основана на теоретических, методологических и экспериментальных работах, которые были выполнены автором в период с 2007 по 2012 г.

                                                                  Автор непосредственно участвовал в разработке методов и алгоритмов обработки гидроакустической информации, полученных при испытаниях и опытной эксплуатации гидроакустических систем.

                                                                  В работах, опубликованных в соавторстве, автором выполнены обработка и анализ экспериментальных данных, полученных при испытаниях трех низкочастотных и одного высокочастотного стационарного гидроакустического комплекса наблюдения за подводной и надводной обстановкой. Автор принимал активное участие в обсуждении и интерпретации результатов исследований.

                                                                  Автором лично проведена апробация разработанных методов обработки экспериментальных данных и методик настройки гидроакустических систем. Объем и структура работы

                                                                  Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений, Общий объем

                                                                  диссертации составляет страниц. Основное содержание изложено на

                                                                  стр. и включает рисунков, _ таблиц. Список использованных источников из

                                                                  наименований отечественных и зарубежных авторов на стр. и

                                                                  приложений на стр.

                                                                  Похожие диссертации на Методы обработки экспериментальных данных гидроакустических систем для их настройки в условиях воздействия внешней среды

                                                                  

                                                                  Теория и методы исследования информационной среды распределенных систем обработки данныхПриходько, Максим Александрович

                                                                  

                                                                  Разработка методов и средств поддержки принятия решений для интегрированной инструментальной среды построения систем обработки информации и управления в машиностроенииПушкин Алексей Юрьевич

                                                                  

                                                                  Научный метод обработки информации при акустической диагностике влияния производственной среды на здоровье человекаМалышев Владимир Серафимович

                                                                  

                                                                  Развитие методов управления качеством реконструкции моделей геологических сред на основе системного анализа процессов обработки геолого-геофизической информацииГригорьевых, Андрей Викторович

                                                                  

                                                                  Алгоритмы и методы обработки информации в системах контроля качества процессов крашенияГайнуллин Марат Фаритович

                                                                  

                                                                  Метод обработки информации для систем адаптивного вычисления прямых тригонометрических функцийФилиппов Алексей Константинович

                                                                  

                                                                  Математические модели и методы для автоматизированных систем обработки структурированной информацииЗимакова Мария Вячеславовна

                                                                  

                                                                  Инвариантный метод анализа распределенных систем обработки информацииАбрамов Сергей Степанович

                                                                  

                                                                  Методы и системы автоматизации обработки результатов биомониторинга потенциально опасных объектовЯнников Игорь Михайлович

                                                                  

                                                                  Синергетический метод синтеза систем хаосодинамической обработки информацииКапустина, Анастасия Сергеевна