Реализация алгоритмов оценки координат объектов в гидроакустических навигационных комплексах

распределение. Путем вариации параметров этого распределения можно получить целый ряд важных с практической точки зрения распределений.

Таким образом, эксперимент по определению оптимального закона изменения значений управляющих параметров состоит в выполнении следующих операций: установление определенных, в общем случае произвольных параметров бета-распределения; генерация для каждой модели псевдослучайной последовательности значений управляющих параметров с последующим переходом к операции функционального моделирования.

Предложенная методика управления качеством проектирования проходит апробацию на уровне математического моделирования, с использованием марковской аппроксимации операции синтеза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Куртев Н. Д., Анцыферов С. С. Вопросы построения классификатора объектов по их тепловизионным сигналам. // Тепловидение. / Межвуз. сб. научн. тр. М.: МИРЭА, 1978. Вып. 2. С. 127-134.

2. Куртев Н. Д., Анцыферов С. С., Фолуменов Е. М. Алгоритмы машинной классификации объектов по их тепловизионным сигналам. // Тепловидение. / Межвуз. сб. научн. тр. М.: МИРЭА, 1978. Вып. 2. С. 146-153.

3. КуртевН. Д., Анцыферов С. С. Анализ тепловых изображений. // Медицинская техника. М.: Медицина, 1980, №4. С. 29-30.

4. Куртев Н. Д., Анцыферов С. С. Автоматизированный анализ тепловых изображений. // Электронная промышленность. М.: ЦНИИ "Электроника", 1986, №5. С. 29-30.

5. Kurtev N. D., Antsyferov S. S. Structural-stochastic method of processing and recognizing information in thermal images. // J. Opt. Technol. 1997, v. 64 (2), p. 102-104.

6. Анцыферов С. С. Формирование спектра тепловых изображений и распознавание их образов. // Оптический журнал. 1999, т. 66, № 12. С. 46-48.

7. Евтихиев Н.Н., Анцыферов С.С., Голубь Б.И. Технология адаптивной обработки информации тепловых широкоспектральных полей // Наукоёмкие технологии, N 4, 2002, Т.3. С. 45-50.

8. Евтихиев Н.Н., Куртев Н.Д., Голубь Б.И. Высокотемпературная сверхпроводимость в тепловидении. // Тепловидение. / Межвуз. сб. научн. тр. М.: МИРЭА, 1992, вып. 9, с. 44-46.

9. Евтихиев Н.Н., Куртев Н.Д., Голубь Б.И. Болометрический приемник электромагнитного излучения. Патент СССР, № 1831665, Б.И. 1993, № 28.

Е.И. Коваленко, И.И. Маркович

РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ОЦЕНКИ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ В ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСАХ

Проведение поисковых работ, геодезических исследований, картографирования дна мирового океана, инспекции подводных сооружений выполняется в большинстве случаев с применением спускаемых подводных аппаратов (СПА). При этом, как правило, требуется знать точное расположение СПА относительно его носителя (надводного судна или стационарно установленной в море платформы). Решение указанной задачи осуществляется с помощью гидроакустических комплексов подводной навигации (ПН).

Принцип функционирования комплексов ПН состоит в следующем. Носитель СПА, относительно которого необходимо определить координаты СПА, излучает в водную среду запросный акустический сигнал. Ответчик, установленный на СПА, обнаруживает этот сигнал и излучает ответный сигнал. Ответный сигнал принимается разнесенными антеннами, размещенными либо на днище судна, либо в спускаемом

антенном блоке, совмещенном с устройствами формирования и обработки сигналов. После обработки измеренные координаты СПА по интерфейсу связи передаются в управляющую ЭВМ, которая производит траекторную обработку измеренных координат СПА и отображает результаты этой обработки на дисплее, входящем в состав рабочего места оператора. Комплексы подводной навигации, у которых расстояния между приемными антеннами не превышают нескольких длин волн ответного сигнала, обычно называют комплексами ПН с ультракороткой базой (УК).

Спецификой комплексов ПН, работающих на больших дальностях, является большой уровень затухания ответного сигнала и низкое входное отношение сигнал/помеха. При низком отношении сигнал/помеха существенно снижается точность оценки координат СПА.

Повышение помехоустойчивости комплексов ПН и точности оценки координат СПА может быть достигнуто за счет применения сложных сигналов с произведением длительности ТС на ширину спектра МС, достигающем нескольких сотен. В свою очередь, применение сложных сигналов требует интеллектуальной обработки, которая должна включать широкий ассортимент процедур первичной обработки на основе цифровых методов и реализовываться с использованием современных высокопроизводительных сигнальных процессоров.

С участием авторов настоящей статьи разработана система цифрового формирования и обработки сигналов (ЦФОС), состоящая из блока ЦФОС и управляющей ЭВМ, предназначенная для использования в комплексе ПН с УК. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение системы.

Система ЦФОС решает задачу определения положения СПА в сферической и прямоугольной системах координат на дальностях до 3000 м со среднеквадратическими погрешностями оценки дальности порядка 0,1% и углового положения не более 0,2о.

Система работает в диапазоне несущих частот от 15 до 40 кГц с максимальной шириной спектра излучаемых и принимаемых сигналов до 4-х кГ ц, обеспечивает мощность излучаемого сигнала до 500 Вт при длительности до 20 мс, занимает объем не более 2-х литров и имеет габаритные размеры 180х110х100 мм3. Малые габаритные размеры особенно важны при необходимости монтажа системы ЦФОС в выносном спускаемом боксе. Для выносного варианта в системе ЦФОС предусмотрен интерфейс обмена информацией с управляющей ЭВМ по стандарту Я8-485. Структурная схема системы ЦФОС представлена на рис. 1.

Ч 1 Ч 1

о ♦ -

Рис. 1. Структурная схема системы ЦФОС

В разработанной системе ЦФОС применен сигнальный процессор ЛБ8Р 21992, который обеспечивает производительность 160 МІР8, имеет встро-

енный 8-канальный 14-разрядный АЦП с временем преобразования не более 1 мкс на канал, PWM-интерфейс, позволяющий без дополнительных аппаратных средств формировать сигналы с линейными и более сложными законами модуляции. Процессор ЛЭ8Р 21992 выполняет в реальном масштабе времени весь необходимый набор процедур первичной цифровой обработки сигналов, таких как

- формирование запросного сигнала;

- многоканальное аналого-цифровое преобразование входных сигналов;

- децимацию и формирование квадратурных составляющих (ФКС) оцифрованных сигналов;

- согласованную фильтрацию и обнаружение сигналов;

- измерение времени прихода ответного сигнала на четыре разнесенные приемные антенны;

- вычисление полярных и декартовых координат СПА по измеренному времени прихода сигнала;

- передачу по интерфейсу Я8-485 результатов вычисления координат в управляющую ЭВМ.

Отличительной особенностью разработанной системы является то, что в ней применен ряд оригинальных и эффективных технических решений, позволивших снизить вычислительные затраты и погрешности оценки угловых координат СПА.

К таким решениям относятся:

- выбор начальной частоты дискретизации *ДН = 625 кГц, в 156 раз превышающей полосу сигнала ДС, что дало возможность исключить входные узкополосные аналоговые фильтры, являющиеся основным источником фазовых рассогласований и нестабильностей в каналах приема, выполнить предварительную фильтрацию и формирование квадратурных составляющих полностью цифровыми методами;

- совмещение процедур формирования квадратурных составляющих комплексной огибающей входных сигналов и первичной децимации частоты дискретизации (коэффициент децимации КД = 32);

- понижение конечной частоты дискретизации ^цК до величины 1,25*Дс за счет применения вторичной процедуры децимации (КД = 4);

- выполнение процедур согласованной фильтрации, обнаружения сигналов и оценки амплитудным методом времени прихода сигналов на пониженной частоте дискретизации ^ с минимальными вычислительными затратами;

- повышение (с использованием процедуры интерполяции) частоты дискретизации сигналов в области главных максимумов откликов согласованных фильтров в 16 раз, при этом существенно уменьшается инструментальная погрешность оценки временного положения сигнала амплитудными методами;

- использование фазовых методов для повышения точности оценки разности задержек коротких импульсных сигналов, не совпадающих во времени, к которым относятся главные лепестки откликов согласованных фильтров.

На рис. 2 представлено условное расположение СПА и приемных антенн комплекса ПН в сферической и прямоугольной системах координат.

Здесь X, У, Ъ - оси прямоугольной системы координат;

Л, В, С, Б - приемные антенны, расположенные в вершинах квадрата с размером диагонали, равной ^

М - точка, соответствующая геометрическому центру СПА, имеющая координаты Хм, Ум, Ъм и удаленная от антенн Л, В, С, Б соответственно на расстояния Ял, Яв, Яс и Я^;

Ям - расстояние (наклонная дальность) между центром приемных антенн (точка 0) и точкой М;

а и р - соответственно угол азимута и угол места СПА.

Рис. 2. Расположение СПА и приемных антенн комплекса ПН в прямоугольной и сферической системах координат

Для получения координат СПА в системе ЦФОС измеряются (относительно момента передачи запросного сигнала) задержки та, тв, тс, тб прихода сигналов ответчика в каналы А, В, С, Б, а также разности задержек ДхАС = (тА - тс) и Дхвс = (тв - тб). По измеренным значениям задержек определяются величины Ям, Хм, Ум , 2м:

КМ =

Хм = (Та + Тс)* (Та - Тс)*сзв /(4*ф;

Yм = (Тв + Тб)* (Тв - Тв)*сзв2/(4*ф;

2м = Vа м - X м - у м2 ,

где сзв - скорость распространения звука в воде.

Оценки углов азимута а и места (3 по оценкам Хм ,Ум, 2м вычисляются по формулам

а = аг^

в = агсгя^м, д/ X м + У м2 ) *180/п

где агС£(х,у) - функция однозначного вычисления арктангенса в пределах (-п, п) с учетом квадранта, в котором находится точка с координатами (х,у).

Анализ погрешностей оценок координат СПА по формулам (1)-(6) показывает, что наибольший вклад в эти погрешности вносят ошибки измерения разностей задержек Дтас и Дтвб. Проблема снижения указанных ошибок при разработке системы ЦФОС решалась путем приближенного измерения задержек сигналов по огибающей отклика согласованного фильтра (ОСФ) и уточнения величин разностей задержек с использованием фазовых методов [1].

Структурная схема алгоритма определения координат СПА представлена на рис. 3.

Канал оценш^еуммы (тА + тс ) и разь

ЗасфСпТо)

вм

Рис. 3. Структурная схема алгоритма определения координат спаВМ На рисунке обозначено:

8а(1) 8б(1:), 8с(1;), 8^) - выходные сигналы приемных антенн;

ФКС - формирование квадратурных составляющих комплексной огибающей; &а

Т - интервал дискретизации; п - порядковый номер отсчета;

СФ - согласованная фильтрация;

&А сф(пТ^ и &С сф(пТ^ - выходные комплексные сигналы согласованных фильтров каналов А и С;

ВМ - вычисление модуля ОСФ;

8а м (пТд) и 8С м(пТй) - модули ОСФ в каналах А и С;

ВМО - выбор максимального отсчета модуля ОСФ;

ОНМО - определение номера максимального отсчета модуля ОСФ;

ПтахА и птахС - номера максимальных отсчетов ОСФ соответственно в каналах А и С; &А СФ(птахА) и &С СФ(птахС) - максимальные комплексные отсчеты ОСФ каналов А и С; (та+тс) - сумма задержек сигналов 8а(1;) и 8с(1;), вычисляемая амплитудным методом с точностью до величины Т^

ВРФ - вычисление разности фаз отсчетов &А СФ(ПтахА) и^С ЛфАС - разность фаз комплексных отсчетов &А СФ(птахА/и &С СФ(птахС);

ВРЗ - вычисление разности задержек амплитудным методом;

ВСЗ - вычисление суммы задержек (та+тс) амплтудным методом;

^ - центральная частота принимаемых сигналов;

Т0 - период центральной частоты принимаемых сигналов;

Лтас То - разность задержек, вычисленная амплитудным методом с точноч-стью до величины Т0 ;

ЛтАСф - поправка разности задержек;

ВПРЗ - вычисление поправки разности задержек с -

СФ

(тв + ТС ) и раз!

ВУРЗ - вычисление уточненной разности задержек;

Ат Ас - уточненная величина разности задержек.

Последовательность процедур обработки сигналов, реализующая алгоритм определения координат СПА, на рис. 3 подробно представлена для канала, в котором оцениваются сумма (тА + тС) и разность АтАС задержек сигналов 8Л© и 8С(Х). Оценка суммы и разности задержек сигналов 8В© и производится аналогично, поэтому на

рисунке процедура вычисления этой оценки показана укрупненным блоком.

Величины (тА + тС), АтАС То, АфАС, АтАСф, АтАС, обозначенные на рис. 3, вычис-

ляются по следующим формулам:

Ат АС То = То*

Ат АС То = То*

где ш1[ ] - оператор выделения целой части действительного числа;

ЛфАС = аГ^

где Яе(), 1т()Яе() - операторы выделения действительной и мнимой частей комплексного числа; &*А СФ(птахС) - сигнал, комплексно сопряженный по отношению к сигналу §А сф(птахс);

Лтасф= -Лфас/

ЛтАС = ЛтАСТё + ЛтАСф.

Применение алгоритма определения координат СПА, представленного на рис. 3, позволило при максимальной ширине спектра сигнала, равной 4 кГц, снизить инструментальные погрешности оценок разностей задержек сигналов до десятых долей микросекунды.

Для проведения экспериментальных исследований системы ЦФОС был создан стенд на базе отладочного модуля ЛБ8Р21992-Б2-Кй: с процессором АБ8Р21992, который формирует четыре импульсных сигнала с линейной частотной модуляцией требуемой длительности и ширины спектра. Разработанные алгоритмическое и программное обеспечения стенда и управляющей ЭВМ позволяет организовать условия эксперимента, близкие к реальным, имитируя, кроме полезных сигналов с требуемыми задержками, помехи с заданными уровнями и формой спектра.

Проведенные испытания системы ЦФОС показали, что относительная среднеквадратическая погрешность оценки наклонной дальности величиной не более

0.1% и среднеквадратическая погрешность определения углового положения СПА, не превышающая 0,2о, обеспечивается при входном отношении сигнал/помеха, равном 1,5^2. Входное отношение сигнал/помеха qВХ в процессе испытаний задавалось как отношение амплитуды сигнала к среднеквадратическому значению помехи, определяемому в полосе сигнала - 4 кГц при длительности сигнала 20 мс.

Расчеты показывают, что при расстоянии 3000 м между приемными антеннами комплекса ПН и ответчиком, установленном на СПА, отношение qвх = 1,5^2 достижимо, если излучающая антенна СПА создает звуковое давление порядка 180 дБ (по отношению к 1-му цПА на расстоянии 1 м). Такое давление современные ответчики обеспечивают при акустической мощности излучения порядка 100 Вт (400 Вт электрической мощности при коэффициенте полезного действия излучающей антенны ответчика равном 25%). В разработанной системе ЦФОС электрическая мощность, подаваемая на излучатель с активным сопротивлением 300 Ом, составляет 500 Вт, что на 25% выше требуемой по расчетам.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. 2-е изд., перераб. и доп.

М.: Радио и связь, 1984. 312 с.