Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов

Полезная модель относится к гидроакустике, а именно к устройствам регистрации акустических сигналов и может быть использована для обнаружения, определения местонахождения и классификации движущихся подводных объектов.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является радиогидроакустический буй на микроконтроллере (Патент № 184783 RU от 08.11.2018 г.), который выбран в качестве прототипа. Прототип содержит опускаемую часть, включающую в себя гидроакустическую антенну (гидрофон) и предварительный усилитель; поплавковую часть, включающую триггер Шмитта, цифровое радиопередающее устройство, приёмо-передающую радиоантенну, пусковой блок, блок питания, блок самоликвидации, микроконтроллер, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой фильтр нижних частот (ФНЧ), память данных EEPROM, и Ethernet-адаптер, подключающий РГБ к спутниковому каналу связи для передачи шумовых сигналов от цели на береговой центр.
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, так как включение и работа цифрового радиопередающего устройства на передачу записанных шумов происходит и в случае обнаружения ложной цели.
На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение «Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов», технической задачей которого является:
- снижение вероятности ложной тревоги путём 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 счёт 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 микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов, который содержит опускаемую часть, включающую в себя гидроакустическую антенну (гидрофон) и предварительный усилитель; поплавковую часть, включающую цифровое радиопередающее устройство, приёмо-передающую радиоантенну, пусковой блок, блок питания, блок самоликвидации, микроконтроллер, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), фильтр нижних частот (ФНЧ) и память данных EEPROM, и Ethernet-адаптер, подключающий РГБ к спутниковому каналу связи для передачи шумовых сигналов от цели на береговой центр. Принципиальным отличием радиогидроакустического буя на микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов от прототипа является то, что в состав поплавковой части буя дополнительно введена база данных эталонных сигналов (БД), реализованная на основе микросхемы памяти и используемая для первичной классификации источников шумов.
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 микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов. Функциональная схема.
Фигура 2. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов. Принципиальная электрическая схема.
Фигура 3. Радиогидроакустический буй на микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов. Алгоритм работы буя.
На Фигуре 1 представлена функциональная схема радиогидроакустического буя на микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов:
1. Опускаемая часть:
1.1. Гидроакустическая антенна (гидрофон).
1.2. Предварительный усилитель.
2. Поплавковая часть:
2.1. База данных (БД) эталонных сигналов.
2.2. Микроконтроллер (МК):
2.2.1. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
2.2.2. Фильтр нижних частот (ФНЧ);
2.2.3. Запоминающее устройство (EEPROM).
2.3. Ethernet- адаптер.
2.4. Цифровое РПДУ.
2.5. Пусковой блок.
2.6. Блок питания.
2.7. Блок самоликвидации.
Все конструктивные элементы буя связаны между собой электрическими связями.
Выход гидрофона 1.1 связан с входом предварительного усилителя 1.2. Выход предварительного усилителя 1.2 связан с аналоговым входом AN1 АЦП 2.2.1 МК 2.2 поплавковой части 2. Выход АЦП 2.2.1 связан с входом ФНЧ 2.2.2 МК 2.2 поплавковой части 2. Отсчёты входного сигнала после фильтрации записываются в запоминающее устройство EEPROM 2.2.3 МК 2.2 поплавковой части 2. МК 2.2 определяет спектр принятого сигнала и производит его сравнение со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в БД 2.1, реализованной на интегральной микросхеме и связанной с МК 2.2 через последовательный интерфейс (модуль) SPI c использованием четырёх выводов МК 2.2: последовательный цифровой выход данных Q связан с последовательным входом данных RC3(SDI) модуля SPI, вход тактирования C БД 2.1 связан с выходом тактирования RC5(SCK), последовательный вход данных D БД 2.1 связан с последовательным выходом данных RC4 (SDO), вход выбора ведомого S связан с выходом RA2 МК 2.2, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения обращения к микросхеме, на которой реализована БД 2.1, с целью записи или чтения. В случае совпадения спектра принятого сигнала со спектром шума подводного объекта, хранящегося в базе данных, шумы, записанные в EEPROM 2.2.3, через Ethernet-адаптер 2.3, приводящий сигнал шума к формату кадра Ethernet, передаются на вход цифрового РПДУ 2.4. Ethernet-адаптер 2.3 связан с МК 2.2 через последовательный интерфейс (модуль) SPI c использованием четырёх выводов МК 2.2: последовательный цифровой выход данных SDO связан с последовательным входом данных RC3(SDI) модуля SPI, вход тактирования SCK Ethernet-адаптер 2.3 связан с выходом тактирования RC5(SCK), последовательный вход данных SDI Ethernet-адаптер 2.3 связан с последовательным выходом данных RC4 (SDO) МК 2.2, вход выбора микросхемы CS связан с выходом RA0 МК 2.2, на котором программно формируется Лог. 0 для разрешения обращения к микросхеме, на которой реализован Ethernet-адаптер 2.3, с целью приёма (передачи) сообщений. Сигнал на самоликвидацию буя формируется программно на выходе RA1.
На Фигуре 2 приведена принципиальная электрическая схема поплавковой части радиогидроакустического буя с базой данных эталонных сигналов. Данная схема используется для моделирования работы буя в программе Proteus. В состав схемы входят:
U2 - микроконтроллер dsPIC33FJ32GP204;
U3 - АЦП LTC1864;
U1, U4, U 7- микросхемы FlashROM M45PE80;
U8 - микросхема FlashROM M45PE80 базы данных эталонных сигналов;
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 микроконтроллере с базой данных эталонных сигналов. Алгоритм включает следующие блоки:
Блок 1 - Начало алгоритма;
Блок 2 - Запись отсчётов АЦП в EEPROM микроконтроллера;
Блок 3 - Нахождение спектра записанного шума (БПФ);
Блок 4 - Проверка условия «Цель - ПЛ ?»;
Блок 5 - Передача записанного шума на носитель (береговой центр);
Блок 6 - 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 (Фигура 1) проводится непрерывно (Фигура 3, Блок 3). Отсчёты сигнала с выхода АЦП предварительно записываются в память данных EEPROM МК (Фигура 3, Блок 2). Выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ) принятого сигнала и производится сравнение полученного спектра со спектрами эталонных сигналов, хранящимися в базе данных эталонных сигналов (Фигура 1, БД 2.1). В случае, если принятый сигнал является шумом винтов ПЛ (Фигура 3, Блок 4) производится передача записанного шума на носитель (береговой центр) (Фигура 3, Блок 5).
Технический результат изобретения заключается в создании нового радиогидроакустического буя на микроконтроллерес базой данных эталонных сигналов. Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:
- снижение вероятности ложной тревоги путём 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 счёт 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 распространённые устройства и компоненты, такие как:
- МК на интегральной микросхеме (ИМС) dsPIC33FJ32GP204;
- FlashROM на ИМС М45РЕ80;
- Ethernet-адаптер на ИМС ENC28J60;
- цифровое РПДУ.