ДВУХКАНАЛЬНОЕ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ С ПРИЕМОМ КОМАНДЫ УПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к подводной гидроакустике и может использоваться для передачи и приема сигналов управления объектами в водной среде.
Известно гидроакустическое устройство управления объектами в водной среде [1], содержащее один канал управления, по которому передаются частотно-модулированные сигналы. Наиболее существенным недостатком гидроакустического устройства управления объектами в водной среде является его низкая помехоустойчивость.
Известно двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с повышенной помехоустойчивостью [2]. Существенным недостатком двухканального гидроакустического устройства управления объектами с повышенной помехоустойчивостью является его недостаточно высокая помехоустойчивость, в результате использования сигналов с относительной фазовой манипуляцией.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является, выбранное в качестве прототипа, двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с максимальной помехоустойчивостью [3], работающее сигналами с фазовой манипуляцией (ФМ).
Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с максимальной помехоустойчивостью содержит: формирователь кодированного сигнала с фазовой манипуляцией, усилитель мощности, преобразователь электрических колебаний в акустические, преобразователь акустических сигналов в электрические колебания, усилитель электрических колебаний и двухканальный модернизированный блок обработки сигнала.
Наиболее существенным недостатком двухканального гидроакустического устройства управления объектами с максимальной помехоустойчивостью является его недостаточно высокая помехоустойчивость, в результате использования поэлементной обработки сигналов с фазовой манипуляцией в условиях гидроакустических помех.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение дополнительного повышения помехоустойчивости гидроакустического канала в условиях реверберационных помех и многолучевого распространения гидроакустических волн.
Данный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве использован прием сигналов с фазовой манипуляцией в целом, при перемножении принимаемого сигнала на кодированный опорный сигнал той же частоты с кодом принимаемой команды управления и последующим интегрированием по всей длительности сигнала.
Известно, что максимальная помехоустойчивость устройства с передачей сигнала управления с двоичным кодированием по каналу с помехами (при прочих равных условиях - длительности сигнала, требовании к вероятности ложных срабатываний) достигается при фазовой манипуляции [4]. В гидроакустическом устройстве управления объектами с максимальной помехоустойчивостью [3], рассмотрен вариант обработки ФМ сигнала при поэлементном приеме. В этом случае решение принимается по каждому символу команды управления и отношение сигнал/шум определяется полосой пропускания фильтра, согласованного с элементом сигнала
э
э
f
где σ - среднеквадратическое отклонение (СКО) шумового процесса (В) на выходе согласованного фильтра с элементом сигнала, при эффективной полосе пропускания Δ (Гц);
o
W - спектральная плотность мощности шумового процесса (Вт/Гц).
Прием сигнала управления в целом характеризуется интегрированием результата перемножения принимаемого сигнала с шумом на опорное кодированное колебание, соответствующее ожидаемой команде управления.
Выигрыш в помехоустойчивости достигается тем, что здесь интегрирование осуществляется не по длительности элемента сигнала, а по всей команде управления. При одном и том же уровне сигнала, отношение сигнал/шум q перед пороговым устройством возрастает с уменьшением СКО шума
д
где U - действующее значение уровня сигнала, В;
Тк
к
σ - СКО шума на выходе интегратора с временем интегрирования, равного длительности команды управления Т.
Тк
э
Уменьшение результирующей полосы пропускания избирательной системы Δƒ, по сравнению с Δƒ, определяется интегрированием в пределах всей длительности команды управления, а не одного элемента. При сравнительной оценке поэлементного приема и приема в целом ФМ сигнала необходимо привести СКО шума на выходе интегратора в целом к СКО шума на выходе интегратора по длительности элемента.
На фиг. 1 представлена схема двухканального гидроакустического устройства управления объектами с приемом команды управления в целом, содержащая преобразователь акустических сигналов в электрические колебания (гидроакустическая приемная антенна ГАПРА) 1, усилитель электрических колебаний (УС) 2 и двухканальный блок обработки сигнала в целом (ДБОСЦ) 3, содержащий два частотных канала 4, каждый частотный канал 4 включает последовательно соединенные, первый перемножитель сигналов (ПМ1) 5, полосовой фильтр (ПФ) 6, прореживатель дискретной выборки отсчетов (ПДВ) 7, сдвиговый регистр (РГ) 8, второй перемножитель сигналов (ПМ2) 9, управляемый ключ (КЛ) 10, в блок 3 также входят опорный генератор (Г) 11, инвертор (ИНВ) 12, схема (ИЛИ) 13, интегратор (ИНТ) 14 и пороговое устройство (ПУ) 15.
Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с приемом команды управления в целом работает следующим образом.
На передающей стороне осуществляется формирование посылок колебаний звуковой частоты, отличающихся по фазе на 180°, в соответствии с кодом команды управления [3]. На приемной стороне акустические колебания воспринимаются гидроакустической приемной антенной 1 и преобразуются в электрические колебания. С выхода гидроакустической приемной антенны сигнал поступает на усилитель электрических колебаний 2.
c1
2
c1
1
c2
2
пр.
После усиления сигнал поступает на двухканальный блок обработки сигнала в целом 3 (фиг. 2). При возможном пропуске сигнала под действием помех в одном канале, используется параллельная обработка сигналов в двух частотных каналах 4. Для использования одного интегратора при параллельной обработке сигналов по двум каналам целесообразно максимально снизить их частоты. Для снижения частоты обработки, принимаемый сигнал на частоте f(f - второго канала) поступает на перемножитель (ПМ1) 5, а на второй вход которого подается опорное колебание с частотой f1 (f2). На выходах (ПМ1) 5 формируются колебания с суммарной и разностной частотой, а полосовые фильтры (Ф) 6 настроены на одинаковые разностные частоты (ff)=(f-f)=f
c1
1
пф
с2
1
пф
Например, для первого канала f=9,5 кГц f=6,1 кГц и f=3,4 кГц. Для второго канала f=10 кГц f=6,6 кГц и f=3,4 кГц. Дальнейшее снижение частоты обработки сигнала обеспечивается делением (прореживанием отсчетов сигнала) в (ПДВ) 7. Коэффициент прореживания отсчетов сигнала Кд выбирается в соответствии с выражением
пер
где К - количество периодов сигнала;
n - количество отсчетов на период сигнала.
пер
ПДВ
пф'
Если выбрать, например, К=2 и n=8, то Кд=17 и частота сигнала на выходе (ПДВ) 7 будет f=f/ Кд=3,4/17=0,2 кГц.
0
Сигналы с частотой f поступают на сдвиговый регистр (РГ1) 8, разрядность которых соответствует количеству отсчетов на команду управления
эл
эл
где п - количество элементов в сигнале управления (принимаем n=80). Частота записи отсчетов сигнала в регистры равна
а частота считывания отсчетов сигналов из регистров определяется выражением
кан
где N=2 - количество каналов.
кy
етр
3
За каждый такт записи отсчетов сигнала в (РГ) 8 осуществляется считывание N отсчетов и перемножение с сигналом генератора (Г) 11, представляющего собой ожидаемый кодированный сигнал управления с постоянной фазой, в (ГГМ2) 9. С каждым тактом записи отсчетов сигнала в регистры изменяется фаза принимаемого сигнала на Δϕ=1/n периода. Поэтому, при неизвестной начальной фазе принимаемого сигнала, его наибольшая погрешность, по сравнению с фазой сигнала генератора, не будет превышать Δϕ. За время положительного уровня полупериода колебания с частотой f будет открыт управляемый ключ (КЛ) 10 и результат перемножения сигнала первого канала с сигналом опорного генератора (Г) 11 через управляемый ключ (КЛ) 10 и схему (ИЛИ) 13 поступает в интегратор (ИНТ) 14 где, в зависимости от фазы сигнала, формируется значение с положительным или отрицательным уровнем: При превышении уровня порога выдается сигнал в исполнительную цепь (ИЦ). За время отрицательного уровня полупериода колебания с частотой f3 инвертором (ИНВ) 12 будет открыт управляемый ключ (КЛ) 10 второго канала и аналогично осуществляется обработка сигнала второго канала.
кy
В отличие от поэлементного приема, интегрирование осуществляется по всей длительности команды управления и для сигнала без помех сумма на выходе интегратора будет равна сумме значений всех N отсчетов.
Таким образом, двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с приемом команды управления в целом позволяет повысить помехоустойчивость, применением обработки сигналов управления с фазовой манипуляцией в целом примерно на 25-37%, по сравнению с поэлементной обработкой сигналов с фазовой манипуляцией.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Гидроакустическое устройство управления объектами в водной среде. Патент на полезную модель №119191, Н04В 1/00, 10.08.2012.
2. Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с повышенной помехоустойчивостью. Патент на полезную модель №192423, Н04В 1/00, 10.09.2019.
3. Двухканальное гидроакустическое устройство управления объектами с максимальной помехоустойчивостью. Патент на полезную модель №203344, Н04В 1/00,01.04.2021.
4. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956. - 150 с.