ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА С КВАЗИОРТОГОНАЛЬНЫМИ СИГНАЛАМИ

Настоящая полезная модель относится к области гидроакустики и может быть использована для обследования поверхности морского дна.
При обследовании донной поверхности гидролокатором бокового обзора (ГБО) одним из основных факторов, обуславливающих искажения формируемого гидролокационного изображения, являются помехи, возникающие из-за паразитных связей в аппаратуре каналов левого и правого бортов ГБО. В результате, помеховые сигналы маскируют полезные донные эхосигналы, что мешает их обнаружению, поэтому важной задачей является обеспечение помехоустойчивости ГБО в части подавления взаимных помех в каналах левого и правого бортов.
Разработка ГБО с повышенной помехоустойчивостью позволяет уменьшить искажения формируемого гидролокационного изображения поверхности дна.
Известен гидролокатор бокового обзора (Kosalos J.G., Chayes D.N. А portable system for ocean bottom imaging // Proc. Oceans'83, 1983. P. 649-656), содержащий приемоизлучающую антенну левого борта, приемно-излучающую антенну правого борта, коммутатор, передающий блок, приемный блок, блок управления, блок сбора и обработки информации о рельефе дна, дисплей для отображения полученной информации.
Недостатком данного устройства является использование разных несущих частот, разнесенных в пределах полосы пропускания приемоизлучающих антенн левого и правого борта ГБО, для излучения акустических импульсов.
Разнесение по частоте излучаемых сигналов позволяет использовать полосовую фильтрацию при обработке принятых эхосигналов, что, в свою очередь, приводит к значительному подавлению взаимных помех между каналами ГБО.
В результате такого подхода возникает ограничение на минимальную длительность излучаемых импульсов, поскольку короткие импульсы имеют широкий частотный спектр, что приводит к снижению разрешающей способности по наклонной дальности, определяемой длительностью излучаемого акустического импульса.
Кроме того, использование разных несущих частот для каналов левого и правого борта ГБО приводит к усложнению аппаратуры ГБО и увеличению стоимости ее разработки и настройки.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является ГБО SeaKing ROV/AUV DST фирмы «Tritech» (адрес сайта в интернете http://www.tritech.co.uk/).
Указанный ГБО размещен на подводном носителе, содержит приемоизлучающие антенны левого и правого борта, первый и второй коммутаторы, двухканальный блок предварительной обработки, генераторное устройство, блок питания, накопитель, блок цифровой обработки сигналов, вычислительный блок. При этом приемоизлучающие антенны левого и правого борта имеют двухстороннюю связь с первым и вторым коммутатором, соответственно, выходы которых соединены с входами двухканального блока предварительной обработки. Выходы двухканального блока предварительной обработки соединены с входами блока цифровой обработки, выход которого соединен с входами накопителя и генераторного устройства. Блок цифровой обработки имеет двухстороннюю связь с вычислительным блоком, выход блока питания соединен с входами генераторного устройства, двухканального блока предварительной обработки, блока цифровой обработки и накопителя.
Устройство-прототип обладает существенным недостатком, заключающемся в том, что для излучения в каналах правого и левого борта используют одинаковые сигналы, имеющие одинаковую несущую частоту с целью использования одинаковой аппаратуры, в том числе и антенны, в каждом канале ГБО. При этом для устранения паразитных связей между каналами левого и правого борта используют экранирование аппаратуры ГБО и развязку по питанию.
Однако указанные меры не позволяют устранить паразитные связи между каналами в аппаратуре ГБО, в результате взаимная помеха из одного канала ГБО попадает в аналоговую часть другого канала и проходит все этапы обработки, что и полезный сигнал, включая согласованную фильтрацию. Взаимная помеха по структуре сходна с полезным сигналом и не подавляется в процессе обработки, в результате формируемое ГБО гидролокационное изображение искажается. Подобные искажения приводят к частичной или полной потере информации об объектах, расположенных на морском дне.
Задачей полезной модели является повышение помехоустойчивости гидролокатора бокового обзора при обследовании поверхности морского дна.
Технический результат заключается в снижении уровня взаимной помехи между каналами левого и правого бортов гидролокатора бокового обзора.
Для достижения указанного технического результата в известный гидролокатор бокового обзора, содержащий приемоизлучающие антенны левого и правого борта, первый и второй коммутаторы, двухканальный блок предварительной обработки, генераторное устройство, блок питания, накопитель, блок цифровой обработки сигналов, вычислительный блок, при этом приемоизлучающие антенны левого и правого борта имеют двухстороннюю связь с первым и вторым коммутатором, соответственно, выходы которых соединены с входами двухканального блока предварительной обработки, выходы двухканального блока предварительной обработки соединены с входами блока цифровой обработки, выходы которого соединены с входами накопителя и генераторного устройства, блок цифровой обработки имеет двухстороннюю связь с вычислительным блоком, выход блока питания соединен с входами генераторного устройства, двухканального блока предварительной обработки, блока цифровой обработки и накопителя, введены следующие новые признаки:
- генераторное устройство выполнено двухканальным для генерации двух квазиортогональных частотно-модулированных сигналов для излучения в каналах левого и правого борта.
- входы первого и второго коммутаторов соединены с первым и вторым выходами генераторного устройства, соответственно.
- в генераторное устройство дополнительно введен блок хранения коэффициентов деления для генерации двух квазиортогональных частотно-модулированных сигналов.
- в блок цифровой обработки дополнительно введен блок хранения коэффициентов фильтрации для каждого из двух каналов согласованного фильтра.
Поясним достижение технического результата.
Использование двухканального генераторного устройства обеспечивает генерацию для излучения в каналах левого и правого борта ГБО частотно-модулированных сигналов на одной несущей частоте, которые являются квазиортогональными, что позволяет подавлять взаимные помехи в каналах ГБО при выполнении согласованной фильтрации, в результате повышается помехоустойчивость ГБО.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1-4.
На фиг. 1 представлена структурная блок-схема гидролокатора бокового обзора с квазиортогональными сигналами.
На фиг. 2 представлена структурная блок-схема двухканального блока предварительной обработки, на фиг. 3 - структурная блок-схема генераторного устройства, на фиг. 4 - структурная блок-схема блока цифровой обработки сигналов.
Устройство (фиг. 1) состоит из приемоизлучающей антенны 1 левого борта и приемоизлучающей антенны 2 правого борта, первого и второго коммутаторов 3 и 4, соответственно, двухканального блока 5 предварительной обработки, генераторного устройства 6, накопителя 7, блока 8 цифровой обработки сигналов, блока 9 питания, вычислительного блока 10.
Приемоизлучающая антенна 1 левого борта и приемоизлучающая антенна 2 правого борта имеют двухстороннюю связь с первым и вторым коммутаторами 3 и 4, соответственно, выходы которых соединены с входами двухканального блока 5 предварительной обработки, входы первого и второго коммутаторов 3 и 4 соединены с первым и вторым выходами генераторного устройства 6 соответственно, выходы двухканального блока 5 предварительной обработки соединены с входами блока 8 цифровой обработки, выходы которого соединены с входами накопителя 7 и генераторного устройства 6, блок 8 цифровой обработки имеет двухстороннюю связь с вычислительным блоком 10, выход блока 9 питания соединен с входами двухканального блока 5 предварительной обработки, генераторного устройства 6, накопителя 7 и блока 8 цифровой обработки.
Двухканальный блок 5 предварительной обработки (фиг. 2) состоит из двухканального полосового фильтра 11, двухканального усилителя 12, двухканального аналогово-цифрового преобразователя 13, устройства 14 контроля.
Генераторное устройство 6 (фиг. 3) состоит из кварцевого генератора 15, двухканального делителя 16 частоты, двухканального усилителя 17 мощности, устройства 18 согласования с нагрузкой, контроллера 19, преобразователя 20 напряжения питания, блока 21 хранения коэффициентов деления.
Накопитель 7 представляет собой постоянное запоминающее устройство емкостью не менее 8 Гб.
Блок 8 цифровой обработки сигналов (фиг. 4) состоит из интерфейсного блока 22, двухканального согласованного фильтра 23, блока 24 автоматической регулировки усиления, блока 25 прореживания, интерфейсного блока 26 упаковки полученных данных для отображения и хранения, контроллера 27, преобразователя 28 напряжения питания, блока 29 хранения коэффициентов для фильтрации.
Вычислительный блок 10 состоит из процессорного устройства, оперативного запоминающего устройства и кварцевого генератора.
Устройство работает следующим образом.
По командным импульсам, вырабатываемым вычислительным блоком 10 и передаваемым через блок 8 цифровой обработки в генераторном устройстве 6 (фиг. 3) осуществляется формирование двух квазиортогональных частотно-модулированных сигналов, которые преобразуются в акустические импульсы приемоизлучающей антенной 1 левого борта и приемоизлучающей антенной 2 правого борта и излучаются в сторону дна. Прием и преобразование в электрические сигналы осуществляется приемоизлучающими антеннами 1 левого и 2 правого борта. Принятые электрические сигналы от приемоизлучающих антенн 1 левого и 2 правого борта через первый и второй коммутаторы 3 и 4, соответственно, поступают на двухканальный блок 5 предварительной обработки (фиг. 2), где выполняется полосовая фильтрация, усиление и аналого-цифровое преобразование. Далее оцифрованные данные поступают в блок 8 цифровой обработки сигналов (фиг. 4), где в каждом из двух каналов выполняется согласованная фильтрация, автоматическая регулировка усиления и прореживание амплитуд эхосигналов.
С выхода блока 8 данные поступают в накопитель 7 и в вычислительный блок 10 для хранения, отображения и управления.
Блок питания 9 обеспечивает питающим напряжением двухканальный блок 5 предварительной обработки, генераторное устройство 6, накопитель 7, блок 8 цифровой обработки сигналов.
Поясним работу генераторного устройства 6.
s
0
Кварцевый генератор 15 вырабатывает тональное колебание заданной частоты ƒ, которое поступает на двухканальный делитель 16 частоты для формирования двух квазиортогональных частотно-модулированных сигналов с заданными законами модуляции несущей частоты ƒ:
где
0
ƒ - несущая частота сигналов;
ΔF - полоса пропускания приемоизлучающих антенн левого и правого борта ГБО.
N - число частот в законе модуляции.
s
Контроллер 19 в соответствии командными сигналами от блока 8 цифровой обработки производит выборку значений коэффициентов деления частоты ƒ для формирования двух квазиортогональных сигналов из блока 21 хранения коэффициентов деления. Далее выбранные значения коэффициентов деления вместе с управляющим импульсом поступают от контроллера 19 для запуска формирования сигналов в двухканальный делитель 16 частоты.
Коэффициенты деления для генерации квазиортогональных сигналов с заданным законом модуляции хранятся в блоке 21 и определяются по формуле:
s
1
2
Значение частоты ƒ выбирают так, чтобы значения коэффициентов деления K и K были целыми.
0
Величины ƒ и ΔF являются техническими характеристиками ГБО, значение N задают исходя из желаемой длительности генерируемого частотно-модулированного сигнала, каждый из которых состоит из N тональных импульсов, частоты которых определяются по формуле (1).
Далее сформированные сигналы усиливаются в двухканальном усилителе 17 мощности и передаются через устройство 18 согласования с нагрузкой на первый и второй коммутаторы 3 и 4, соответственно, для последующего излучения в водную среду с помощью приемоизлучающих антенн 1 левого и 2 правого борта. Преобразователь 20 напряжения питания обеспечивает соответствующим напряжением двухканальный делитель 16 частоты, двухканальный усилитель 17 мощности и контроллер 19.
Поясним работу блока 8 цифровой обработки.
В интерфейсном блоке 22 производится распаковка полученных квадратурных составляющих эхосигналов, и формирование комплексных амплитуд эхосигналов в каналах левого и правого бортов.
По командным импульсам от вычислительного блока 10 контроллер 27 производит выборку коэффициентов для выполнения согласованной фильтрации из блока 29 хранения коэффициентов для фильтрации. Далее контролер 27 передает выбранные коэффициенты для фильтрации эхосигналов в каналах левого и правого бортов в двухканальный согласованный фильтр 23.
При использовании для излучения в каналах ГБО одинаковых сигналов (с одинаковой несущей частотой) взаимная помеха схожа по структуре с полезным сигналом и не может быть подавлена при обработке, особенно при согласованной фильтрации, поскольку импульсная характеристика каждого из каналов двухканального согласованного фильтра 23 представляет собой зеркально перевернутую во времени копию входного сигнала, на который настроен указанный фильтр (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 1988. С. 420).
Если использовать для излучения в каналах ГБО разные сигналы, то взаимная помеха будет отличаться по структуре от полезного сигнала, что обеспечит ослабление взаимной помехи при выполнении процедуры согласованной фильтрации, поскольку каждый из каналов двухканального согласованного фильтра 23 будет настроен на заданный сигнал, а не помеху.
Условие квазиортогональности используемых сигналов (малые значения их взаимно-корреляционной функции) в каналах ГБО позволяет минимизировать уровень отклика в каждом из каналов двухканального согласованного фильтра 23 на взаимную помеху и значительно ее подавить.
После выполнения согласованной фильтрации обработанные амплитуды эхосигналов, полученные в каналах левого и правого борта, передаются в блок 24 автоматической регулировки усиления для выравнивания величины динамического диапазона по амплитуде и затем в блок 25 прореживания для выполнения прореживания.
В интерфейсном блоке 26 упаковки полученных данных для отображения и хранения производится упаковка амплитуд эхосигналов в заданный формат для передачи в вычислительный блок 10.
Преобразователь 28 напряжения питания обеспечивает питающим напряжением заданного уровня интерфейсный блок 22, двухканальный согласованный фильтр 23, блок 24 автоматической регулировки усиления, блок 25 прореживания, интерфейсный блок 26 упаковки полученных данных для отображения и хранения, контроллер 27.
Предложенный ГБО позволяет использовать для излучения в каналах левого и правого борта квазиортогональные частотно-модулированные сигналы, что обуславливает подавление взаимных помех при согласованной фильтрации, а также повышение помехоустойчивости, таким образом, технический результат полезной модели достигнут.