Разработка следящего пеленгатора локализованных источников акустических сигналов

Важно понимать, что в выражении (4) КНД На(ш,в) характеризует поведение системы на высоких частотах. В то время как выравнивающий фильтр Weq учитывает эффекты нестабильности параметров микрофонов и усиливает их для низких частот.

Таким образом, в данной работе приведена зависимость КНД дифференциальной решетки микрофонов первого порядка от частоты. Она может быть дополнена с помощью модели нестабильности параметров микрофона на низких частотах.

На основе представленной зависимости КНД от частоты и модели нестабильности параметров микрофона может быть определен рациональный рабочий диапазон частот для нормального функционирования массива микрофонов. Нижняя граница этого диапазона ограничивается нестабильностью параметров микрофона, а верхняя частота среза определяется геометрией массива d. Список использованной литературы:

1. Хохлов В.К., Коршикова Ж.С. Пеленгация локализованного источника акустических излучений на основе знакового корреляционного метода // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2008. № 3. С. 66-74.

2. Хохлов В.К., Коршикова Ж.С. Пеленгация локализованного источника акустических излучений на основе спектрального метода обработки сигналов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2010. № 1. С. 62-73.

3. Лихоеденко К.П., Хохлов В.К. Дискриминационные характеристики акустических пеленгаторов локализованных источников широкополосных излучений с временным способом обработки сигналов // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 6. С. 47-53.

4. Амеличев В.В., Вернер В.Д., Ильков А.В. МЭМС-микрофон. Выбор материалов, конструкции и технологии. Часть 1. Электромеханический чувствительный элемент // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 2. С. 53-62.

5. Амеличев В.В., Вернер В.Д., Ильков А.В. МЭМС-микрофон. Выбор материалов, конструкций и технологии. II. Влияние полости под диафрагмой на характеристики микрофона // Нано- и микросистемная техника. 2007. № 3. С. 27-36.

6. Глазков В.В., Муратов И.В. Использование дифференциальных решеток микрофонов для подавления акустического шума // Вестник СИБГУТИ. 2016. № 3 (35). С. 215-222.

© Глазков В В., Гонобина М.В., 2016

УДК 621.396

Глазков Виталий Владимирович

канд. тех. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ

Email: wave@sm.bmstu.ru Муратов Игорь Валентинович канд. тех. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана, г. Москва, РФ

Email: wave@sm.bmstu.ru Пизаев Артем Олегович канд. тех. наук, зам. начальника отделения ФКП «НИИ «Геодезия»,

г. Красноармейск, РФ Email: 1000safety@gmail.com

РАЗРАБОТКА СЛЕДЯЩЕГО ПЕЛЕНГАТОРА ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Аннотация

В данной работе рассматриваются вопросы построения пеленгатора акустических сигналов.

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х

Предложен алгоритм работы устройства. Приведены структурные схемы устройства.

Ключевые слова Пеленгатор акустических сигналов, пеленгационная характеристика.

В современных системах контроля пространства и охраны периметра необходимо решать задачу пеленгации объектов, приближающихся к зоне ответственности системы. Подобные системы могут использовать различные физические поля целей: акустические, сейсмические, электромагнитные и прочие. В данной работе рассматривается вопрос реализации алгоритма пеленгатора, обрабатывающего акустические сигналы от объекта. В основе алгоритма работы пеленгатора лежит фазовый метод пеленгации широкополосных сигналов. Рассмотрению вопросов обработки акустических сигналов посвящено большое количество работ [1 - 5], поэтому эта тематика является актуальной.

Для обоснования алгоритма работы акустического пеленгатора локализованных источников широкополосных излучений на фоне распределенных в пространстве помех рассмотрим функциональную схему его приемной части (рис. 1).

d - расстояние между фазовыми центрами микрофонов А1 и А2;

)}, №)} б б

- сигналы на входах тракта обработки

Рисунок 1 - Функциональная схема приемной части двухканального пеленгатора

Примем следующие допущения:

- амплитудные центры микрофонов Ai и A2 совпадают, а фазовые центры разнесены на величину d (см. рис.1);

- локализованные источники излучения расположены в бесконечности, т. е. 0^ = 0^ ;

- процессы {^(0} и {^(t)} рассматриваются на интервале принятия решения T, на котором их можно считать стационарными в широком смысле.

Фазовые методы пеленгации основаны на измерении разности фаз принимаемых колебаний двумя микрофонами, разнесенными в пространстве на расстояние d:

А^ = {2л/A)d  sin 0,

где d - база, 0 - угол между нормалью к базе микрофонов и направлением на объект, Я - длина волны колебаний.

Измеряя разность фаз, определяют направление на объект:

0 = arcsin

Для осуществления точечных оценок угла пеленга на объект и слежения за углом визирования в следящем измерителе необходимо применение дискриминатора.

В случае широкополосных сигналов на входе следящего измерителя реализация определения знака рассогласования возможна при обеспечении фазового сдвига 90° в широкой полосе частот, при применении широкополосных фазоразностных цепей (ШФЦ).

Широкополосной фазоразностной цепью, или широкополосным фазовращателем, называется разностная цепь, частотные характеристики которой в пределах заданной частотной полосы

0 < (DH < ( < 0)в < ^ удовлетворяет соотношениям:

Ф0(() - АФ0 < Ф(() < Ф0 (() + АФ0,

| TI (j()| = | TII (j()| = const, где Ф0(() - заданная фазоразностная характеристика (в большинстве случаев Ф0(( = Ф0 = const), АФ0 - допустимая погрешность ее воспроизведения, | Tj (j()|, | Tjj (j()\ - амплитудно-частотные

характеристики четырехполюсников фазоразностной цепи.

Структурно ШФЦ представляет собой два соединенных по входу четырехполюсника, каждый из которых вносит свой фазовый сдвиг во входной сигнал, но разность фазовых сдвигов в пределах рабочего частотного диапазона остается равной Ф0 ± АФ0.

По существу рассмотренное устройство реализует преобразование Гильберта. По широкополосным сигналам в двух каналах акустического пеленгатора, сдвинутых по фазе на каждой частоте на 90°, возможно построение дискриминатора для слежения за локализованным источником акустического излучения и измерение угла пеленга на объект.

Реализация алгоритма пеленгатора предполагает его функционирование в режимах «Захват» и «Сопровождение». Работа макета может быть описана в форме конечного автомата с двумя состояниями (рис. 2).

МАХ(ВКФ)>Порог1

Ошибка>Порог2

Рисунок 2 - Диаграмма состояний конечного автомата макета пеленгатора

Автомат имеет два состояния: «Захват» и «Сопровождение». В режиме «Захват» происходит вычисления взаимной корреляционной функции (ВКФ) по двум каналам микрофона со всех возможных пеленгов. В случае превышения максимального значения ВКФ Порога 1 принимается решение о наличии сосредоточенного источника акустического сигнала в зоне обнаружения. При этом автомат переходит в режим «Сопровождение».

Рисунок 3 - Структурная схема работы действующего макета в режиме «Захват»

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

Переход в режим «Сопровождение» автоматически означает обнаружение одиночной цели. В режиме «Сопровождение» реализуется работа следящего пеленгатора. В случае, когда ошибка следящей системы станет больше Порога 2, принимается решение о срыве слежения, и автомат переходит в режим «Захват».

Структурная схема работы устройства в режиме «Захват» представлена на рис. 3.

В режиме «Захват» входной аналоговый сигнал по двум каналам преобразуется в цифровой код при помощи АЦП 1 и 2 с частотой дискретизации 25600 Гц. ФВЧ 3 и 4, ФНЧ 5 и 6 являются фильтрами Баттерворта второго и четвертого порядков соответственно. Данные фильтры выделяют рабочую полосу частот в диапазоне от 200 до 6000 Гц. Бинарные преобразователи с петлей гистерезиса 7 и 8 осуществляют знаковое преобразование входного цифрового сигнала. Для формирования ВКФ двух каналов используются сдвиговые регистры 9 и 10, которые обеспечивают задержку отсчетов бинарных сигналов с дискретностью в один такт синхросигнала. Умножители 11 формируют попарные произведения текущего отсчета одного канала с задержанными отсчетами другого канала. Всего таких умножителей (2n + 1). Сумматоры 12 накапливают попарные произведения, их количество равно количеству умножителей. Блок 13 выбирает максимальное значение ВКФ и подает его на вход компаратора 14. Компаратор 14 сравнивает максимальное значение ВКФ с Порогом 1, превышение порога является признаком наличия одиночного источника акустического сигнала. Блок 15 осуществляет энергетическую оценку входного сигнала путем получения квадрата его отсчетов. Компаратор 16 осуществляет сравнение квадрата входного сигнала с энергетическим порогом. Превышение энергетического порога является признаком наличия источника акустического сигнала. Устройство управления 17 осуществляет тактирование АЦП 1 и 2, сдвиговых регистров 9 и 10, сброс накопителей 12. Оно выбирает время накопления для принятия решения о наличии одиночного источника акустического сигнала. Принятие решения осуществляется по схеме И выходов компараторов 14 и 16. Определение пеленга осуществляется по номеру m, который поступает с выхода блока13. Этот номер соответствует максимальному значению ВКФ. Устройство управления также формирует сигнал Захват для перехода автомата в состояние «Сопровождение», величину начального пеленга и принимает сигнал Срыв сопровождения, при котором автомат снова переходит в состояние «Захват».

Структурная схема работы устройства в режиме «Сопровождение» представлена на рис. 4.

Рисунок 4 - Структурная схема работы действующего макета в режиме «Сопровождение» В режиме «Сопровождение» входной аналоговый сигнал по двум каналам преобразуется в цифровой

_МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «СИМВОЛ НАУКИ» №12-2/2016 ISSN 2410-700Х_

код при помощи АЦП 1 и 2 с частотой дискретизации 25600 Гц. ФВЧ 3 и 4, ФНЧ 6 и 7 являются фильтрами Чебышева второго и четвертого порядков соответственно. Данные фильтры выделяют рабочую полосу частот в диапазоне от 200 до 6000 Гц. Преобразователь Гильберта осуществляет задержку фазы входного сигнала одного из каналов на 900. Бинарные преобразователи с петлей гистерезиса 8...10 осуществляют знаковое преобразование входного цифрового сигнала. Для формирования отсчетов ВКФ трех каналов используются сдвиговые регистры 11.13, которые обеспечивают задержку отсчетов бинарных сигналов на один такт синхросигнала. Мультиплексоры 14.16 осуществляют выбор конкретного выхода сдвиговых регистров, осуществляя тем самым управляемую задержку сигнала. Умножители 17 и 18 формируют попарные произведения отсчета одного канала и его сопряженного по Гильберту с отсчетом другого канала. Сумматоры 19 и 20 накапливают попарные произведения. Блок деления 21 осуществляет деление отсчета ВКФ сопряженного по Гильберту сигнала на отсчет ВКФ самого сигнала. Результат деления является ошибкой рассогласования следящей системы. Блок 22 осуществляет энергетическую оценку входного сигнала путем получения квадрата его отсчетов. Компаратор 23 осуществляет сравнение квадрата входного сигнала с энергетическим порогом. Превышение энергетического порога является признаком наличия источника акустического сигнала. Устройство управления 24 осуществляет замыкание обратной связи пеленгатора и сопровождение подвижного объекта. Для этого оно производит тактирование АЦП 1 и 2, сдвиговых регистров 11.13, сброс накопителей 19 и 20. По сигналу рассогласования оно управляет мультиплексорами 14.16 для выбора правильной задержки сигнала. При превышении ошибки рассогласования значения Порог 2 принимается решение о срыве слежения и выставляется соответствующий сигнал на выход. Также оно выбирает время накопления ВКФ для реализации сопровождения.

Время накопления ВКФ определяется исходя из необходимого числа периодов сигнала с наименьшей частотой в рабочем диапазоне. Наименьшая частота определяется нижней границей частотного диапазона входных фильтров и равна 200 Гц. Из практических соображений для надежного сопровождения источника акустического сигнала требуется 10 периодов входного сигнала. Поэтому время накопления составляет 0,05 с.

После накопления ВКФ дальнейшая обработка заключается в делении двух отсчетов ВКФ одного на другой. Исходя из вышесказанного, требуется выполнить 1 + 50 = 51 операцию.

Данный алгоритм работы был реализован на основе 32-разрядного микроконтроллера. Проверка работы устройства на натурных испытаниях показала работоспособность устройства с максимальной ошибкой определения пеленга ± 2°.

Список использованной литературы:

1. Хохлов В.К., Коршикова Ж.С. Пеленгация локализованного источника акустических излучений на основе знакового корреляционного метода // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2008. № 3. С. 66-74.

2. Хохлов В.К., Коршикова Ж.С. Пеленгация локализованного источника акустических излучений на основе спектрального метода обработки сигналов // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2010. № 1. С. 62-73.

3. Лихоеденко К.П., Хохлов В.К. Дискриминационные характеристики акустических пеленгаторов локализованных источников широкополосных излучений с временным способом обработки сигналов // Электромагнитные волны и электронные системы. 2014. Т. 19, № 6. С. 47-53.

4. Хохлов В.К., Лихоеденко А.К. Диаграммы направленности и дискриминационные характеристики пеленгаторов локализованных объектов со спектральным способом обработки широкополосных сигналов // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 6. С. 63-72.

5. Глазков В.В., Муратов И.В. Использование дифференциальных решеток микрофонов для подавления акустического шума // Вестник СИБГУТИ. 2016. № 3 (35). С. 215-222.

© Глазков В В., Муратов И.В., Пизаев А.О., 2016