Принципы и концепция построения тренажера гидролокатора бокового обзора

Применение погружного (донного) гамма-спектрометра впервые позволило подойти к комплексному решению задач радиоэкологического мониторинга. Появилась возможность оперативного поиска, обнаружения и определения содержания техногенных и природных радионуклидов в донных отложениях прибрежных акваторий. Разработанная методология оценки радиоэкологической обстановки, на основе картографирования радиационных полей с указанием мест расположения источников радиоактивного загрязнения, выделением внешних границ распространения техногенных радионуклидов в объектах окружающей среды, повышает эффективность проведения радиоэкологического мониторинга.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. МедведевМ.Н. Сцинтилляционные детекторы. - М.: Атомиздат, 1977.

2. Высоцкий В.Л. Техническое задание на НИР «Исследование возможности и путей построения автоматизированного спектрометрического комплекса для приёма и обработки информации, поступающей с детекторов гамма-излучения.» -Владивосток, в/ч 90720, 1984.

3. Высоцкий В.Л., Борисов А.В. и др. Оценка состояния радиоэкологической обстановки в пунктах базирования и обеспечения кораблей с АЭУ ТОФ в Приморском крае: Приложение II НИР “Мониторинг”. - Владивосток, в/ч 90720, 1997.

4. Чайковская Э.Л., Высоцкий В.Л. и др. Радиационная обстановка на территории Дальневосточного региона в 1997 году: Отчет ПУГМС. - Владивосток, 1998.

А.Н. Долгов, А.В. Ходотов

ПРИНЦИПЫ И КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ТРЕНАЖЕРА ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА

Тренажер гидролокатора бокового обзора (ГБО) предполагается использовать для обучения в береговых условиях операторов-гидроакустиков работе с трактами ГБО панорамного эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К (1).

Основным назначением эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К является поиск и регистрация промысловых рыбных объектов на мелководье. Кроме того, он может также использоваться для поиска и регистрации на мелководье других подводных объектов как искусственного, так и естественного происхождения.

Таким образом, для имитации в тренажере подводной обстановки целесообразно ограничиться промысловыми районами с глубинами, не превышающими 15 м. Для этой цели можно воспользоваться картографическими данными акватории Азовского моря, выбрав на ней ряд ограниченных участков с различными значениями средней глубины. Размещая на этих участках искусственным способом модели промысловых рыбных объектов и модели находящихся на дне неподвижных объектов, а также задавая тип грунта, можно формировать искусственные полигоны с произвольно изменяемыми наборами подводных объектов.

Размер полигона можно выбрать из следующих предпосылок: гидроакустические съемки с помощью ГБО обычно производят на прямых галсах, максимальная рекомендуемая для ПЭВ-К скорость судна - 6 уз (для избежания пропусков целей), предполагаемая продолжительность тренировочного упражнения - 1 час. Протяженность галсов выбирается обычно равной целому числу миль. Для шести галсов по 1 миле или трех галсов по 2 мили можно считать достаточным полигон в виде квадрата 2 х 2 морские мили.

Так как основным назначением тренажера ГБО является обучение операторов-гидроакустиков принципам расшифровки сонограмм ГБО, целесообразно создавать тренажер ГБО в виде автономного программного комплекса, используя только компьютерное оборудование рабочего места инструктора и нескольких компь -ютерных рабочих мест обучаемых. В программном обеспечении тренажера ГБО нецелесообразно использовать в процессе тренировки сложные динамические модели управления судами.

Для задания параметров движения судна достаточно использовать упрощенную компьютерную панель управления судном, обеспечивающую возможность оперативного изменения курса и скорости судна.

Состав тренажера ГБО

В соответствии с изложенными выше соображениями можно предложить следующий функциональный состав тренажера ГБО (рис. 1), где ПК - персональный компьютер, М - монитор инструктора, М1 - монитор для отображения сонограмм имитатора ГБО, М2 - монитор для системы визуализации, М3 - монитор для работы с электронными картами. Пульт инструктора обеспечивает: создание и загрузку сценариев тренировки, загрузку модели полигона с моделями всех его объектов и окружающей среды, управление процессом тренировки.

Рабочее место инструктора

Рабочее место обучаемого 1

Рабочее место обучаемого N

Г

Рис. 1. Структура аппаратных средств тренажера ГБО

Рабочее место обучаемого обеспечивает: функционирование моделей аппаратуры и программного обеспечения трактов ГБО эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К, управление судном, использование пульта электронной картографической системы (ЭКС), обеспечивающей предварительную прокладку галсов гидроакустической съемки и контроль за перемещением и ориентацией судна, включение системы визуализации подводной обстановки в виде планшетов с видом сверху на судно и окружающий участок акватории и видом с кормы с траверзным по отношению к антеннам ГБО вертикальным разрезом водоема и профиля донной поверхности.

Основные требования к пульту инструктора

В состав пульта инструктора должен входить персональный компьютер со следующими установленными программными модулями:

- редактором сценариев;

- модулем расчета координат и параметров движения подвижных объектов;

- модулем формирования архива процесса тренировки;

- модулем управления обменом данными между пультом инструктора и рабочими местами обучаемых.

При вызове редактора сценариев на экране монитора должен отображаться планшет, соответствующий выбранному полигону, с символом судна и траектори-

ей его движения и символами крупных промысловых объектов (рыбных косяков и крупноразмерных рыб) и искусственно установленных на дне неподвижных объектов. Должно обеспечиваться масштабирование выбранных участков полигона. В редакторе сценариев должен обеспечиваться вызов следующих диалоговых окон: номер полигона, глубина погружения антенного блока, гидрометеоусловия, тип донного грунта, рыбные косяки, слои малоразмерных одиночных рыб, слой крупноразмерных одиночных рыб, крупногабаритные донные объекты.

В диалоговом окне “Номер полигона” осуществляется выбор акватории и одного из пяти полигонов на этой акватории, отличающихся глубинами.

В диалоговом окне “Гидрометеоусловия” осуществляется выбор параметров ветра и водной среды: скорости ветра, направления ветра, температуры воды, солености воды.

В диалоговом окне “Тип донного грунта” осуществляется выбор типа донного грунта из трех возможных видов: ил, песок, скалистый. В диалоговом окне “Рыбные косяки” осуществляется выбор параметров рыбных косяков и их расстановка по полигону. Выбор и расстановка должны осуществляться в автоматическом режиме.

При инициализации этого режима косяки размещаются в пределах полигона случайным образом с учетом следующих задаваемых через диалог параметров:

- количество косяков (до 64 шт.);

- длина тела рыбы (одинакова для всех косяков в пределах от 10 до 50 см);

- скорость косяка (одинакова для всех косяков в пределах от 0 до 2,5 м/с).

Количество рыб в каждом косяке в автоматическом режиме выбирается случайным образом в пределах от 5 до 20, курс в пределах от 0 до 359°, глубина нахождения косяка задается случайным образом. Реакция рыб на движение судна и акустические сигналы ГБО не моделируется.

Пр и м е ч а н и е. Косяки моделируются в виде плоского цилиндра (“блина”) с рыбами, расположенными на одной глубине. Условный диаметр цилиндра рассчитывается по количеству рыб в косяке и по длине отдельных рыб с учетом того, что среднее расстояние между отдельными рыбами составляет две длины рыбы.

Должна обеспечиваться возможность ручного редактирования параметров установленных косяков:

- выбор любого косяка для редактирования его параметров;

- исключение при необходимости из сценария выбранного косяка;

- изменение координат косяка путем перетаскивания мышью;

- изменение длины рыб, курса и скорости косяка.

В диалоговом окне “Слои малоразмерных одиночных рыб” осуществляется выбор для двух независимых слоев следующих параметров одиночных рыб:

- плотность рыб в слое, 1/м2 (5 10-4, 2-10-4, 110-4);

- длина тела рыбы (от 10 до 50 см);

- форма тела рыбы должна представляться в виде эллипсоида.

Расстановка рыб по полигону и выбор их ориентации (условного курса) осуществляется случайным образом. Скорость перемещения малоразмерных рыб принимается равной нулю.

В диалоговом окне “Слой крупноразмерных одиночных рыб” осуществляется выбор параметров одиночных рыб и их расстановка по полигону. Выбор и расстановка должны осуществляться в автоматическом режиме.

При инициализации этого режима рыбы размещаются в пределах полигона случайным образом с учетом следующих задаваемых через диалог параметров:

- количество рыб (до 64 шт.);

- длина тела рыб (от 50 до 300 см);

- заглубление всех рыб (придонные или пелагические);

- скорость рыб (при выборе пелагического заглубления).

Курс каждой рыбы выбирается случайным образом в пределах от 0 до 359°.

Должна обеспечиваться возможность ручного редактирования параметров установленных рыб:

- выбор любой рыбы для редактирования ее параметров;

- исключение при необходимости из сценария выбранной рыбы;

- изменение горизонтальных координат рыбы путем перетаскивания мышью;

- изменение вида заглубления, длины рыбы, ее курса и скорости.

В диалоговом окне “Крупногабаритные донные объекты” осуществляется выбор параметров следующих искусственно устанавливаемых на полигоне, подводных объектов: подводного трубопровода, подводной траншеи, крупных камней.

Для подводного трубопровода обеспечивается выбор следующих параметров:

- диаметра трубы (от 0,1 до 1,0 м);

- координат начала и конца трубопровода (должны находиться на границах полигона).

Для подводной траншеи (профиль по умолчанию трапецеидальный) обеспечивается выбор следующих параметров:

- ширины верха траншеи (от 1 до 100 м);

- глубины (от 0,5 до 10,0 м);

- ширины дна траншеи (от 0 до равенства ширине верха траншеи);

- координат начала и конца траншеи (должны находиться на границах полигона).

Выбор и расстановка крупных камней (моделируются в виде полусфер) должны осуществляться в автоматическом режиме.

При инициализации этого режима камни размещаются в пределах полигона случайным образом с учетом следующих задаваемых через диалог параметров:

- поверхностная плотность камней, 1/м2 (2 10-4, 110-4, 5 10-5);

- средняя высота камней (от 10 до 200 см).

Должна обеспечиваться возможность ручного редактирования параметров установленных камней:

- выбор любого камня для редактирования его параметров;

- исключение при необходимости из сценария выбранного камня;

- изменение горизонтальных координат камня путем перетаскивания мышью;

- изменение высоты камня (в пределах от 10 до 200 см).

Модуль расчета координат и параметров движения подвижных объектов

предназначен для расчета координат и параметров движения судов обучаемых, одиночных рыб и косяков. Периодичность расчета должна составлять не более 1 секунды.

Модуль формирования архива процесса тренировки и модуль управления обменом данными должны быть идентичны используемым в комплексном навигационно-промысловом тренажере.

Основные требования к месту обучаемого

В состав места обучаемого должны входить три персональных компьютера (ПК) с программным обеспечением (ПО) имитатора ГБО.

На ПК1 должно устанавливаться:

- ПО имитатора приемного и излучающего трактов;

- ПО имитатора пульта управления эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К.

На ПК2 должно устанавливаться ПО электронной картографической системы.

На ПК3 должно устанавливаться:

- ПО модели управления судном;

- ПО, обеспечивающее отображение планшетов с визуализацией окружающей обстановки.

Основным назначением ПО имитатора приемного и излучающего трактов является формирование массивов дискретных отсчетов огибающей эхо-сигналов от объектов в водной среде, аналогичных формируемым в реальной аппаратуре при ее функционировании в реальной среде. Для решения этой задачи в ПО имитатора приемного и излучающего трактов должны реализовываться математические модели: гидроакустических антенн, тракта формирования зондирующих импульсов, приемного тракта, акустических свойств водной среды, эхо-сигналов от подводных объектов, реверберационных сигналов от донной поверхности, ревербераци-онных сигналов от неоднородностей водной среды (объемной реверберации).

Так как в эхолоте-видеоплоттере ПЭВ-К используется относительно высокая рабочая частота 290 кГц, а максимальная рекомендуемая для ПЭВ-К скорость судна не должна превышать 6 уз, то при моделировании результирующего сигнала, принимаемого гидроакустическими антеннами комплекса ПЭВ-К, можно пренебречь акустическими шумами судна.

Вследствие того, что реальный диапазон регистрации целей в комплексе ПЭВ-К при работе на мелководье не превышает 100 м, нецелесообразно также учитывать рефракционные явления в водной среде.

В математической модели гидроакустических антенн должны учитываться: характеристика направленности антенны, коэффициент осевой концентрации, чувствительность антенны в режиме приема, чувствительность антенны в режиме излучения.

В математической модели тракта формирования зондирующих импульсов должны учитываться: частота заполнения зондирующего импульса, длительность зондирующего импульса, амплитуда зондирующего импульса, период следования зондирующих импульсов.

В математической модели приемного тракта должны учитываться:

- максимальный коэффициент передачи сигнала до входа АЦП;

- закон временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ);

- динамический диапазон сигналов на входе АЦП;

- период выборки отсчетов огибающей сигнала;

- полоса пропускания приемного тракта;

- алгоритмы первичной обработки сигналов.

В математической модели акустических свойств водной среды должны учитываться:

- скорость звука в воде в зависимости от температуры и солености воды;

- коэффициент затухания звука в воде в зависимости от частоты звуковых колебаний, температуры и солености воды.

В математической модели эхосигналов от подводных объектов должны учитываться:

- отражающая способность объекта (сила цели или эффективная площадь обратного рассеяния) с учетом частоты звуковых колебаний;

- ориентация объекта относительно направления прихода звуковой волны;

- степень перекрытия акустическим лучом сечения объекта;

- последовательность расположения отдельных объектов в направлении зондирования и степень экранирования объектами друг друга и донной поверхности.

В математической модели реверберационных сигналов от донной поверхности должны учитываться:

- отражающая способность донной поверхности (коэффициент обратного рассеяния) в зависимости от типа грунта, частоты зуковых колебаний и угла падения фронта звуковой волны на донную поверхность;

- площадь элемента донной поверхности, одновременно рассеивающего звуковые колебания в текущий момент времени.

В математической модели реверберационных сигналов от неоднородностей водной среды следует учитывать зависимость коэффициента обратного рассеяния звуковой энергии от силы ветра. Это связано с тем, что в условиях мелководья основной вклад в рассеяние звуковой энергии вносят воздушные пузырьки, возникающие при взаимодействии ветра с приповерхностным слоем воды.

ПО электронной картографической системы должно представлять собой модернизированную версию ЭКС эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К.

ПО модели управления судном должно обеспечивать отображение упрощенной компьютерной панели управления судном, обеспечивающей возможность оперативного изменения обучаемым курса и скорости судна.

ПО визуализации должно обеспечить отображение окружающей обстановки в виде планшета.

А.Н. Долгов, А.В. Ходотов

МОДЕЛИ ЭХО-СИГНАЛОВ ДЛЯ ИМИТАТОРА ГИДРОЛОКАТОРА БОКОВОГО ОБЗОРА

Выбор составляющих результирующего сигнала

Основным назначением трактов ГБО эхолота-видеоплоттера ПЭВ-К, являющихся прототипом имитатора ГБО, является поиск и регистрация промысловых рыбных объектов на мелководье. Кроме того, они могут также использоваться для поиска и регистрации на мелководье других подводных объектов как искусственных, так и естественного происхождения.

Как показывает опыт [1], рыбы промысловых размеров встречаются на мелководье либо поодиночке (рассеянные скопления), либо в виде небольших стаек. В этом случае вводить отдельную акустическую модель для рыбной стаи нецелесообразно, достаточно использовать акустическую модель только одиночной рыбы.

Наиболее часто встречающимися объектами естественного происхождения являются камни и валуны различных размеров. Характерными подводными объектами искусственного происхождения являются подводные трубопроводы.

Эхо-сигналы от большинства подводных объектов регистрируются в ГБО на фоне донной реверберации, которая для данного типа аппаратуры является полезным сигналом, так как на ее фоне формируются тени от объектов, позволяющие повысить классификационные возможности аппаратуры.

Уровень объемной реверберации значительно ниже уровня донной реверберации, но она может регистрироваться в зоне свободной воды.

Для высокочастотных ГБО с подкильным размещением антенн (или на забортном устройстве) поверхностная реверберация от границы раздела вода-воздух обычно не наблюдается. Это, по-видимому, можно объяснить малыми углами скольжения акустических лучей, а также тем, что при штилевой погоде акустические лучи претерпевают только зеркальное отражение в сторону от антенны, а при волнении моря площади бликующих точек волнового профиля (участка поверхности с нормалью, близкой к направлению акустического луча) незначительны.