ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ЛАГ С АЛГОРИТМОМ МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ЭХОСИГНАЛА, ОСНОВАННЫМ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ БАНКА ФИЛЬТРОВ КАЛМАНА
HYDROACOUSTIC DOPPLER LOG WITH MULTI-ALTERNATIVE ECHO SIGNAL FILTRATION ALGORITHM BASED ON USE OF KALMAN FILTER BANK

Изобретение относится к области морских лагов, предназначенных для измерения скорости морского объекта.
Известны лаги (US №5694372, US №3795893, SU №1840743) с расположением лучей гидроакустической антенны по схеме Янус, которая позволяет существенно снизить погрешности измерения скорости морского объекта при волнении моря и наличии вертикальной скорости объекта.
В настоящее время в доплеровских лагах используется частотный подход, требующий оценки спектра в форме периодограммы на основе преобразования Фурье реализации эхосигнала. Эта оценка обладает свойством несостоятельности и требует для своей выработки значительного времени, приводя к повышенной погрешности и временной задержке в определении скорости. Эхосигнал с достаточной адекватностью аппроксимируется узкополосным случайным процессом, свойства которого определяются неоднородностью отражающей поверхности, конечной шириной диаграммы направленности, условиями распространения, шумом приемника и т.п.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявленного изобретения является устройство, описанное в авторском свидетельстве SU №1840743. Устройство-прототип содержит задающий генератор, формирователь программы излучения, усилитель мощности, акустическую антенну, приемно-индикаторное устройство.
Прототип имеет следующие недостатки: низкая частота выработки выходной информации, что не позволяет использовать лаг-прототип на динамичных объектах; зависимость работы лага от внешнего источника глубины.
Задачи, которые решает данное изобретение, заключаются в повышении быстродействия и точности результатов измерения скорости объекта за счет применения оптимального многоальтернативного алгоритма обработки эхосигнала, основанного на банке фильтров Калмана, а также в упрощении и удешевлении конструкции гидроакустического лага, увеличении надежности его работы, облегчении технического обслуживания изделия.
Решение вышеизложенных задач достигается за счет:
- применения алгоритма многоальтернативной фильтрации с использованием банка фильтров Калмана в задаче постобработки эхосигнала;
- реализации алгоритмов цифровой обработки сигнала на стадии подготовки сигнала к постобработке;
- использования схемы Янус в гидроакустической антенне;
- применения стандартного конструктива «Евромеханика 3U» и современной элементной базы.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена структурная схема гидроакустического лага.
В состав лага входят:
1 - Четырехлучевая многоэлементная гидроакустическая антенна, представляющая собой фазированную решетку элементов;
2 - Антенный переключатель, предназначенный для разделения сигнала по каналам в режиме приема эхосигнала;
3 - Коммутатор излучения, предназначенный для выбора излучаемого диаметра антенны в режимах работы на больших или малых глубинах под излучающей поверхностью антенны;
4 - Схема согласования антенны, предназначенная для настройки резонанса антенны и снижения потерь мощности в режиме излучения;
5 - Усилитель мощности, представляющий собой схему полного моста, собранную на мощных полевых транзисторах ультразвукового диапазона с управлением от сильноточных полумостовых драйверов;
6 - Коммутатор приемных сигналов, предназначенный для выбора приема отраженного эхосигнала от антенны на малых глубинах, на больших глубинах под излучающей поверхностью антенны; использования тестового сигнала для режима контроля тракта приема;
7 - Дифференциальный приемник эхосигналов, предназначенный для точного приема отраженных эхосигналов и формирования характеристики направленности антенны в режиме приема. Особенностью этого узла является применение полупроводникового элемента, вместо обычно используемого для этих целей приемного трансформатора;
8 - Программируемый усилитель с цифровым управлением, предназначенный для построения зависящей от глубины под килем характеристики усиления отраженных эхосигналов;
9 - Полосовой фильтр, предназначенный для выделения сигнала в рабочей полосе частот перед последующим аналого-цифровым преобразованием;
10 - Аналого-цифровой преобразователь, предназначенный для получения цифровых отчетов эхосигнала по четырем каналам;
11 - Цифровой гетеродин, предназначенный для смещения области рабочих частот эхосигнала с ультразвукового спектра в область низких частот, реализован аппаратно на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС);
12 - Цифровой фильтр с дециматором, необходимые для выделения области рабочих частот и снижения частоты квантования отраженного эхосигнала, реализованы на ПЛИС;
13 - Цифровой сигнальный процессор (DSP), предназначенный для вычисления конечного результата обработки эхосигналов и получения продольной и поперечной скоростей объекта по алгоритму многоальтернативной фильтрации, с использованием банка фильтров Калмана. Блок-схема алгоритма показана на фиг.2. На фиг.1 не показаны такие части вычислительной системы, необходимые для работы DSP процессора, как ОЗУ, ПЗУ, система получения данных после предобработки эхосигналов;
14 - Контроллер интерфейсов UART, предназначенный для организации обмена конечной информацией с потребителем по протоколу NMEA 0183. Реализован в ПЛИС;
15 - Приемопередатчики интерфейсов, предназначенные для согласования уровней сигналов интерфейсов RS-232 и RS-422.
Устройство работает следующим образом.
После включения питания запускается вычислительная система лага, состоящая из DSP-процессора 13 и контроллера интерфейсов 14. Выполняется предпусковой контроль, который включает в себя проверку целостности программного обеспечения, проверку памяти, проверку функционирования приемного тракта методом подачи на вход коммутатора приемных сигналов 6 тестового сигнала. Далее вычислительная система переходит в режим готовности и ожидает прихода внешней команды начала измерения по интерфейсу RS-232 или RS-422 через приемопередатчики 15 и контроллер UART 14. По приходу внешней команды подается силовое питание на усилитель мощности 5 и начинается цикл измерения глубины под килем корабля. Диапазон глубин работы лага разбит на шесть поддиапазонов, в которых происходит последовательный поиск глубины до дна, начиная с самого старшего диапазона. Для поиска глубины до дна формируется зондирующий импульс в усилителе мощности 5, импульс поступает на гидроакустическую антенну 1 через схему согласования антенны 4, коммутатор излучения 3 (который коммутирует необходимую часть антенны 1 в зависимости от текущей глубины под килем), антенный переключатель 2. Эхосигнал, который отражается от дна, поступает обратно на гидроакустическую антенну 1. Время между началом излучения и приемом эхосигнала пропорционально наклонной дальности до грунта.
В фазе приема отраженный сигнал с гидроакустической антенны поступает на антенный переключатель 2, затем на коммутатор приемных сигналов 6, который пропускает сигнал дальше в зависимости от коммутации антенны, затем отраженный сигнал усиливается на дифференциальном приемнике 7. На программируемом усилителе 8 реализована схема временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ) в зависимости от предполагаемой глубины до дна на текущем времени поиска. Закон ВАРУ выбран близким к экспоненциальному. После прохождения усилительного тракта, предварительной фильтрации на полосовом фильтре 9 и оцифровки с помощью АЦП 10, а затем гетеродинирования на цифровых гетеродинах 11 на вход цифровых фильтров с дециматором 12 поступают данные со следующих четырех каналов: нос (Н); корма (К); левый борт (ЛБ); правый борт (ПБ).
Постобработка в режиме поиска глубины представляет собой и происходит в DSP-процессоре 13:
- вычисление среднеквадратичных значений (СКЗ) сигнала в приемном тракте;
- поиск максимальных значений СКЗ сигнала для каждого из поддиапазонов;
- сравнение максимальных значений с пороговым (пороговое значение выбирается больше, чем уровень шумовой составляющей сигнала);
- выбор максимального значения, превышающего пороговый уровень (остальные значения, превышающие пороговый уровень, считаются отражением сигнала от звукорассеивающих слоев и могут быть использованы в случае необходимости измерения лагом относительной скорости).
В контроллер интерфейсов UART 14 передается текущее значение глубины под килем.
После окончания цикла поиска глубины система переходит в режим измерения скорости объекта, при этом формирование импульсов излучения и прием отраженных сигналов происходит на тех же устройствах, что и в режиме поиска глубины. В режиме измерения скорости в устройстве:
- формируется зондирующий импульс, длительность которого пропорциональна найденной дальности до грунта (глубине под килем);
- осуществляется прием и усиление эхосигнала (коэффициент усиления на всем протяжении цикла измерения скорости не изменяется и остается соответствующем текущей дальности до грунта);
- выполняется предобработка эхосигнала (гетеродинирование, фильтрация и децимация);
- в DSP-процессоре 13 запускается итерационный алгоритм оценивания скорости объекта с использованием банка фильтров Калмана;
- после того как суммарная длительность эхосигнала составляет не менее 1 сек и одна из апостериорных вероятностей гипотез превышает уровень 0.9, вырабатывается оценка скорости с уровнем среднеквадратической погрешности не более 0.03 узла.
При малых глубинах под килем в одном цикле измерения скорости, формируется несколько зондирующих импульсов, для того чтобы набрать суммарную длительность эхосигнала, равную 1 сек. Для работы на небольших глубинах используется только центральная часть гидроакустической антенны, при работе на больших глубинах используется полная поверхность антенны.
Алгоритм функционирования DSP-процессора при оценивании скорости.
Обработка сигнала по алгоритму многоальтернативной фильтрации с использованием банка фильтров Калмана выполняется в DSP-процессоре. Возможность применения многоальтернативного алгоритма порождена предлагаемым достаточно адекватным описанием эхосигнала на входе приемника (измерения)
где z(t) - марковский узкополосный случайный процесс второго порядка, описывающий эхосигнал; ν(t) - аддитивный белый шум с интенсивностью R, например шум приемника. Спектральная плотность z(t) аппроксимируется следующей дробно-рациональной спектральной плотностью, передающей основные характеристики эхосигнала (наличие доплеровского сдвига частоты, ширина спектра):
2
где σ - дисперсия процесса; α и β - параметры модели, определяющие ширину (α) и центральную частоту спектральной плотности (β).
Эта дробно-рациональная спектральная плотность может быть записана в форме пространства состояний:
1
2
где x, x - компоненты вектора состояния; w - порождающий белый шум с интенсивностью Q.
i
i
i
j
j
j
j
Работа алгоритма многоальтернативной фильтрации поясняется блок-схемой, приведенной на фиг.2. Сигнал y(t) (в дискретном виде y, т.е. y=y(t)), поступает на вход банка фильтров Калмана. Каждый фильтр из банка настроен на аппроксимирующую модель (3) с параметрами α и β, соответствующими ожидаемому значению скорости из диапазона неопределенности (диапазон неопределенности параметров дискритизован и разбит на N составляющих). В каждый момент времени (частота дискретизации 25 кГц) с выходов фильтров Калмана из банка в блок выработки апостериорных вероятностей альтернатив (гипотез) передаются значения невязки прогноза  и ковариация невязки прогноза  (j=1…N). По значениям  и  рассчитываются апостериорные вероятности  наступления события, свидетельствующего, что эхосигнал на входе соответствует модели (3) с параметрами α и β. По вычисленным апостериорным вероятностям на каждом шаге дискретизации оценивается скорость движения объекта  по среднеквадратическому критерию
j
j
где V пропорционально β.
Вышеописанная процедура оценки скорости движения объекта выполняется параллельно для каждого из четырех гидроакустических лучей антенны 1.
x
y
Конечным результатом вычислений является продольная (V) и поперечная (V) составляющие скорости движения объекта, вычисляемые по формулам
где  - оценка скорости в носовом направлении объекта;  - оценка скорости в кормовом направлении объекта;  - оценка скорости в направлении левого борта объекта;  - оценка скорости в направлении правого борта объекта.
x
y
Далее значения V и V поступают в контроллер интерфейсов UART 14 и передаются потребителю через приемопередатчики RS-232 и RS-422 (блоки 15).