БУКСИРУЕМАЯ ПАССИВНАЯ ГИДРОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ПЕЛЕНГОВАНИЯ ГИДРОБИОНТОВ

Полезная модель относится к рыбной промышленности, а именно к пассивным гидроакустическим системам для рациональной организации промысла и экологического мониторинга морской среды.
Известно устройство для пеленгации гидробионтов, содержащее два пространственно разнесенных приемных канала, два усилителя, аналого-цифровой преобразователь, два спектроанализатора, четыре блока измерения среднеквадратичных значений сигналов, блок попарного усреднения среднеквадратичных значений сигналов, блок определения минимального уровня сигналов, блок определения весовых коэффициентов, блоки управляемых аттенюаторов, блок определения среднего значения нормированных сигналов, блок установки пороговых значений сигналов, два блока пороговых элементов и регистратор (RU 2064683 C1, G01S 15/96, 27.07.1996).
Наиболее близкой является буксируемая пассивная гидролокационная система для обнаружения и пеленгования гидробионтов, содержащая два гидрофона, которые через многоканальный блок соединены с устройством сбора данных, сигнальный процессор и компьютер (CN 101231342 A, G01S 15/96, 30.07.2008).
Недостатком известных устройств является невозможность обнаружения и пеленгования скопления гидробионтов в условиях внешних шумов от судна-буксировщика.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является повышение эффективности и эксплуатационных возможностей системы, обеспечение возможности обнаружения и пеленгования скоплений гидробионтов в условиях внешних гидроакустических помех, создаваемых судном-буксировщиком.
Технический результат достигается тем, что буксируемая пассивная гидролокационная система для обнаружения и пеленгования гидробионтов, снабжена основной и вспомогательной антенными решетками, лучеформирователем, многоканальным корреляционным приемником, вычислителем пороговых статистик, пеленгатором, блоком управления, отображения и принятия решения, адаптивным одноканальным лучеформирователем и блоком компенсации, при этом выходы элементов основной антенной решетки соединены с входами лучеформирователя, выходы которого связаны с входами многоканального корреляционного приемника через блок компенсации, входом компенсационного сигнала подключенного с выходом адаптивного лучеформирователя, входом соединенного с выходами элементов вспомогательной антенной решетки, выходы многоканального корреляционного приемника соединены с входами вычислителя пороговых статистик и пеленгатором, выходы которых подключены к блоку управления, отображения и принятия решения.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема полезной модели, на фиг. 2 - общая функциональная схема макета.
Буксируемая пассивная гидролокационная система для обнаружения и пеленгования гидробионтов содержит основную антенную решетку 1, выходы элементов которой соединены с лучеформирователем 2, выходы которого присоединены к основным входам блока компенсации 3, выходы которого подключены к многоканальному корреляционному приемнику 4, соединенному с вычислителем пороговых статистик 5 и пеленгатором 6, выходы которых подключены к блоку управления, отображения и принятия решения 7, причем к компенсационному входу блока компенсации 3 подключен выход адаптивного лучеформирователя 8, входы которого подключены к выходам элементов вспомогательной антенной решетки 9.
Прием акустических сигналов осуществляется с помощью двух приемных пространственно разнесенных антенных решеток, соответственно основной 1 и вспомогательной 9. Сигналы основной антенной решетки поступают на вход лучеформирователя 2 для создания некоторого набора пространственных каналов с частично перекрывающимися диаграммами направленности. Сигналы вспомогательной антенной решетки 9 подаются на входы адаптивного одноканального лучеформирователя 8, обеспечивающего адаптивную диаграмму направленности с направлением оси диаграммы на источник мешающего сигнала. Сигнал с выхода адаптивного лучеформирователя 8 поступает на один их входов компенсатора 3, где производится адаптивное вычитание мешающего сигнала из выходных сигналов лучей лучеформирователя 2. Скомпенсированный сигнал подается на вход многоканального корреляционного приемника 4, формирующего корреляционные статистики, передаваемые на пеленгатор 6 и вычислитель пороговых статистик 5. Сигналы с выхода вычислителя пороговых статистик 5 передаются в блок управления, отображения и принятия решения 7 для сравнения с пороговыми уровнями и по превышению порогового значения принятия решения о наличии сигналов гидробионтов. На основе корреляционных статистик с выходов блока 4 формируется оценка пеленга источника принятого сигнала, которая передается в блок 7 для отображения.
Практическая реализация предложенной системы не представляет сложностей. Проектирование, конструкции и изготовление гидроакустических антенных решеток 1 и 9 подробно рассмотрено в работах [1, 2] В качестве блока управления, отображения и принятия решения 7 может служить персональный компьютер, включая монитор, ручные манипуляторы и интерфейсные элементы для связи компьютера с периферийными устройствами. Схемные реализации усилителей, в том числе и для усиления сигналов датчиков с высоким выходным импедансом, подробно описаны в литературе, например [3]. Лучеформирователь 2 может, например, быть построен на основе известного принципа многоканального согласованного пространственного фильтра. Для каждого из выбранных направлений формируется набор задержек для компенсации задержек фронта плоской волны по элементам антенной решетки. Для каждого из направлений производится амплитудное взвешивание входной выборки в соответствии со значением диаграммы направленности элемента антенной решетки в заданном направлении. Задержка сигнала в каждом из каналов осуществляется или с помощью трансверсального фильтра с необходимой дискретностью задержки или производится путем выполнения дискретного преобразования Фурье над принятыми совокупностями выборок в каждом из каналов и почленным домножением полученного Фурье-образа на вектор комплексной экспоненты с нарастающим фазовым множителем, определенным заданной величиной задержки. Полученные таким образом сигналы суммируются для формирования канала с диаграммой направленности, имеющий максимум в соответствующем направлении. Данный принцип подробно рассмотрен в книге [6], стр. 109-110]. Вопросы построения лучеобразователя с адаптивной диаграммой направленности - адаптивного лучеобразователя 8, с подстройкой диаграмм направленности, основанной на методе максимального правдоподобия подробно рассмотрены в книге [7, стр. 123-133, 190-202]. Устройства компенсации нежелательного сигнала в смеси с полезным сигналом широко известны, и, в частности, компенсатор 3 может быть реализован по схеме, предложенной в патенте [8]. Вычислитель пороговых статистик может быть выполнен основе оценивания энергии принятого сигнала, например, с использованием метода Тайгера-Кайзера [9] или с использованием статистик, реализующих оценки моментов распределений высших порядков, предложенный в статье [10]. Вопросы лоцирования скоплений гидробионтов, определения их параметров, а также определения характеристик окружающей обстановки исследовались ранее при помощи многочисленных активных и пассивных гидроакустических систем [4, 5].
Разработан и изготовлен макет заявляемого устройства, а также отдельные программные модули, которые показали практическую реализуемость системы для обнаружения и пеленгования скоплений гидробионтов в условиях воздействия мешающих сигналов от машин и механизмов судна-буксировщика.
Общая функциональная схема макета представлена на Ошибка! Источник ссылки не найден. Принятые антенной решеткой акустические сигналы усиливаются и фильтруются многоканальным предварительным усилителем. Здесь же осуществляется кондиционирование сигналов - регулировка усиления с диапазоном 48 дБ. Кондиционированный сигнал в диапазоне напряжений ±1.8 В по амплитуде поступает на вход АЦП последовательных приближений и после преобразования его 16 битный код по последовательному SPI интерфейсу подается на модуль цифровой обработки. Модуль цифровой обработки выполняет 4 основных функции - управляет общим циклом работы устройства, реализует интерфейс SPI для обслуживания АЦП, фильтрует сигнал с помощью многоканального цифрового фильтра и производит буферизацию сигнала для дальнейшей передачи его в управляющую бортовую микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ содержит модуль пакетирования и передачи данных по протоколу TCP/IP с пропускной способностью до 80 Мбод, который осуществляет прием данных от модуля цифровой обработки и отправляет данные в персональный компьютер на судне-носителе по кабельной линии связи UTP-5. Вышеуказанные модули реализуют блоки 1 и 9 полезной модели. Программное обеспечение, установленное на персональном компьютере, осуществляет обработку, архивацию и отображение данных и реализует блоки 2-8 полезной модели.
Заявляемая система позволяет обнаруживать и лоцировать скопления гидробионтов в условиях внешних шумов от судна-буксировщика, благодаря подавлению мешающих сигналов техногенного характера в измерительных каналах приемной антенной решетки путем адаптивной компенсации без участия оператора, и тем самым повысить эффективность и эксплуатационные возможности системы.
Источники информации
1. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. - Л.: Судостроение, 1980. - 232 с.
2. Подводные гидроакустические преобразователи. Расчет и конструирование. Справочник. Под ред. Богородского В.В. - Л.: Судостроение, 1980. - 248 с.
3. Проектирование радиопередатчиков. Под ред. В.В. Шахгильяна. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с.
4. Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. - М.: Пищевая промышленность, 1977.
5. Шишкова Е.В., Николаев А.С., Сизов И.И. Шумы камчатских крабов. - Рыбное хозяйство, т. 3, 1971, стр. 22-25.
5. Монзинго Р.А. Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с, ил.
6. Журавлев А.К., Лукошкин А.П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1983. - 240 с.
7. Патент US 4395778 «Undesired signal canceller», МПК H04B 1/12; H04N 5/21; H04B 001/18, опубл. 26.07.1983.
8. J.F. Kaiser, "On a simple algorithm to calculate the 'energy' of a signal", Proc. IEEE ICASSP'90, Albuquerque, New Mexico, pp. 381-384, April 1990.
10. C. Gervaise, A. Barazzutti, S. Busson, Y. Simard, N. Roy. Automatic detection of bioacoustics impulses based on kurtosis under weak signal to noise ratio. - Applied Acoustics, v. 71 (2010) pp. 1020-1026.