Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов
RADIO-HYDROACOUSTIC BUOY ON MICROCONTROLLERS WITH BASE DATA OF REFERENCE SIGNALS

Изобретение относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов и может быть использовано для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов.
Известно устройство - авиационный радиогидроакустический буй РГБ-16, содержащий опускаемое устройство, включающее в себя гидроакустическую антенну и предварительный усилитель; блок комбинированный, включающий в себя тракт усиления акустического сигнала, пороговое устройство, радиопередающий тракт, дальномерный канал, стабилизаторы питания; приемо-передающую радиоантенну, источник тока, устройство самоликвидации, парашютную систему, пусковое устройство. (С.В. Попов, В.В. Емельяненко, И.Н. Сургаев. Радиогидроакустические буи противолодочной авиации. Владивосток: ТОВМИ им. С.О. Макарова, 2002.)
Основными недостатками данного буя являются:
- высокая вероятность ложной тревоги, т.к. срабатывание порогового устройства происходит при превышении уровня сигнала на его входе заданного порога, а причиной этого может быть шум из любого источника, а не только шум винтов подводной лодки;
- наличие порогового устройства снижает радиус действия буя и, соответственно, вероятность обнаружения цели;
- малое время и скрытность работы буя.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является радиогидроакустический буй на микроконтроллерах (Патент № 2659347 RU от 29.06.2018), который выбран в качестве прототипа. Прототип содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, радиопередающий тракт и приемо-передающую радиоантенну, устройство самоликвидации, измерительный блок на микроконтроллере, в котором реализуются функции управления и цифровой фильтрации, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом  в состав каждого РПТ включены микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель.
Основными недостатками прототипа являются:
- высокая вероятность ложной тревоги, т.к. срабатывание порогового устройства (триггер Шмитта) происходит при превышении уровня сигнала на его входе заданного порога, а причиной этого может быть шум из любого источника, а не только шум винтов подводной лодки;
- наличие порогового устройства снижает радиус действия буя и, соответственно, вероятность обнаружения цели;
- малое время и скрытность работы буя.
На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение «Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов», технической задачей которого является
- снижение вероятности ложной тревоги путем проведения спектрального анализа смеси сигнала и помехи, сравнения полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных;
- увеличение радиуса действия буя и, соответственно, вероятности обнаружения цели за счет того, что спектральный анализ смеси сигнала и помехи проводится непрерывно;
- увеличение времени и скрытности работы буя.
Указанный технический результат достигается тем, что создано новое устройство - радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов, который содержит последовательно соединенные гидроакустическую антенну (гидрофон), предварительный усилитель, радиопередающий тракт и приемо-передающую радиоантенну, устройство самоликвидации, измерительный блок на микроконтроллере, в котором реализуются функции управления и цифровой фильтрации, связанный по входу с выходом предварительного усилителя, и блок радиопередающих трактов (РПТ), включающий n РПТ, каждый из которых связан с измерительным блоком через последовательный интерфейс; при этом  в состав каждого РПТ включены микросхема памяти, микроконтроллер, реализующий функции управления и цифроаналогового преобразования и радиопередатчик, осуществляющий передачу шумовых сигналов от цели на носитель.
Принципиальным отличием радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов от прототипа является то, что в состав измерительного блока на микроконтроллере дополнительно введена база данных эталонных сигналов (БД), реализованная на основе микросхемы памяти, используемая для первичной классификации источников шумов и связанная с микроконтроллером измерительного блока по интерфейсу SPI.
Введение базы данных эталонных сигналов, реализованной на основе микросхемы памяти, позволяет проводить первичную классификацию источников шумов, что способствует снижению вероятности ложной тревоги.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фигура 1. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Функциональная схема.
Фигура 2. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Принципиальная электрическая схема.
Фигура 3. Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Алгоритм работы буя.
На Фигуре 1 представлена функциональная схема радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов:
1. Гидроакустическая антенна (гидрофон).
2. Предварительный усилитель.
3. Измерительный блок:
3.1. База данных эталонных сигналов (БД).
3.2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)
3.3. Микроконтроллер (МК):
3.3.1. Фильтр нижних частот (ФНЧ).
4. Блок радиопередающих трактов (РПТ):
4.1. (4.2, …4.n). Радиопередающий тракт:
4.1.1 (4.2.1…4.n.1). Микросхемы памяти FlashROM
4.1.2 (4.2.2…4.n.2). Микроконтроллеры
4.1.3 (4.2.3…4.n.3). Радиопередатчики.
Все конструктивные элементы буя связаны между собой электрическими связями.
Выход гидрофона 1 связан с входом предварительного усилителя 2. Выход предварительного усилителя 2 связан с аналоговым входом VIN+ АЦП 3.2 измерительного блока 3. АЦП 3.2 связан с МК 3.3 измерительного блока 3 через последовательный интерфейс (модуль) SPI c использованием трех выводов МК 3.3: последовательный цифровой выход данных SDO связан с последовательным входом данных RC3(SDI) модуля SPI, вход тактирования SCK АЦП 3.2 связан с выходом тактирования  RC5(SCK), вход разрешения (запрещения) преобразования CONV связан с выходом RA1 МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения преобразования или Лог. 1 для разрешения передачи результата преобразования.
Результаты преобразования из выходного регистра АЦП 3.2 измерительного блока 3 после фильтрации записываются в память МК 3.3, последовательным кодом с  использованием  интерфейса SPI передаются в блок РПТ 4 и записываются в микросхемы памяти FlashROM 4.1.1…4.n.1, которые связаны с МК 3.3 измерительного блока 3 следующим образом: входы тактирования C, соединены с выходом тактирования RC5(SCK) модуля SPI МК 3.3, входы D соединены с последовательным выходом данных RC4(SDO)модуля SPI МК 3.3, входы выбора микросхемы  соединены с выходом RA0 параллельного порта portA МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения записи. Микроконтроллеры 4.1.2…4.n.2 осуществляют чтение записанных данных из памяти, приведение их к аналоговому виду и передачу на вход радиопередатчиков 4.1.3…4.n.3.
МК 3.3 определяет спектр принятого сигнала и производит его сравнение со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в БД 3.1, реализованной на интегральной микросхеме и связанной с МК 3.3 через последовательный интерфейс (модуль) SPI c использованием четырех выводов МК 3.3: последовательный цифровой выход данных Q БД 3.1 связан с последовательным входом данных RC3(SDI) модуля SPI МК 3.3, вход тактирования C БД 3.1 связан с выходом тактирования  RC5(SCK) МК 3.3, последовательный вход данных D БД 3.1 связан с последовательным выходом данных RC4 (SDO) МК 3.3, вход выбора ведомого  связан с выходом RA2 МК 3.3, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения обращения к микросхеме, на которой реализована БД 3.1, с целью записи или чтения. В случае совпадения спектра принятого сигнала со спектром шума подводного объекта, хранящегося в базе данных, вырабатывается сигнал на отстрел очередного РПТ.
На Фигуре 2 приведена принципиальная электрическая схема измерительного блока 3 с микросхемами памяти блока радиопередающих трактов 4  для случая,  когда число РПТ n=3. Данная схема используется для моделирования работы буя в программе Proteus. В состав схемы входят:
U1 - микроконтроллер dsPIC33FJ32GP204;
U2 - микросхема FlashROM M45PE80 базы данных эталонных сигналов;
U3, U4, U5 - микросхемы FlashROM M45PE80;
U6 - АЦП LTC1864;
R1 - резистор 1К.
Все элементы схемы соединены электрическими связями.
Напряжение на выходе предварительного усилителя буя, пропорциональное уровню шума, имитируется при помощи генератора, подключенного к аналоговому входу VIN+ АЦП U3.
На Фигуре 3 приведен алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Алгоритм включает следующие блоки:
Блок 1 - Начало алгоритма;
Блок 2 - Запись отсчетов АЦП в EEPROM микроконтроллера;
Блок 3 - Нахождение спектра записанного шума (БПФ);
Блок 4 - Проверка условия «Цель- ПЛ ?»;
Блок 5 - Отстрел очередного РПТ;
Блок 6 - Проверка условия m<=n ? (m - номер отстреливаемого РПТ, n - количество РПТ в буе);
Блок 7 - Конец алгоритма.
Радиогидроакустический буй на микроконтроллерах работает следующим образом:
Алгоритм работы радиогидроакустического буя на микроконтроллерах представлен на Фигуре 3. Спектральный анализ сигнала с выхода предварительного усилителя 2 (Фигура 1) проводится непрерывно (Фигура 3, Блок 3). Выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ) принятого сигнала и производится сравнение полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных эталонных сигналов БД 3.1 (Фигура 1). В случае, если принятый сигнал является шумом винтов ПЛ (Фигура 3, Блок 4) производится отстрел очередного РПТ и передача записанного шума на носитель (береговой центр) (Фигура 3, Блок 5).
Технический результат изобретения заключается в создании нового радиогидроакустического буя на микроконтроллерах с базой данных эталонных сигналов. Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:
- снижение вероятности ложной тревоги путем проведения спектрального анализа смеси сигнала и помехи, сравнения полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных;
- увеличение радиуса действия буя и, соответственно, вероятности обнаружения цели за счет того, что спектральный анализ смеси сигнала и помехи проводится непрерывно;
- увеличение времени и скрытности работы буя.
Заявленное устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы распространенные устройства и компоненты, такие как:
- МК на интегральной микросхеме (ИМС) dsPIC33FJ32GP204;
- FlashROM на ИМС М45РЕ80;
- Ethernet-адаптер на ИМС ENC28J60;
- цифровое РПДУ.