Исследование рабочих характеристик гидроакустической станции

Система MATLAB использует собственный М-язык, который сочетает в себе положительные свойства различных известных языков программирования высокого уровня. С языком BASIC систему MATLAB роднит то, что она представляет собой интерпретатор (осуществляет пооператорное компилирование и выполнение программы, не образуя отдельного исполняемого файла). От языка Pascal система MATLAB позаимствовала объектно-ориентированную направленность, то есть такое построение языка, которое обеспечивает образование новых типов вычислительных объектов на основе типов объектов, уже существующих в языке. Новые типы объектов (в MATLAB они называются классами) могут иметь собственные процедуры их преобразования (они определяют методы этого класса), причем новые процедуры могут быть вызваны с помощью обычных знаков арифметических операций и некоторых специальных знаков, которые применяются в математике.

Работать в среде MATLAB можно как в режиме калькулятора, так и в программном режиме. При работе в первом из них вычисления осуществляются сразу после набора очередного оператора или команды MATLAB; значения результатов вычисления могут присваиваться некоторым переменным, либо результаты получаются непосредственно, без использования операции присваивания (как в обычных калькуляторах). Работа в программном режиме осуществляется путем вызова имени написанной на языке MATLAB программы, предварительно составленной и записанной на диске и содержащей все необходимые команды, которые обеспечивают ввод данных, организацию вычислений и вывод результатов на экран.

В обоих режимах пользователю доступны практически все возможности системы, в том числе вывод информации в графической форме. Программный режим позволяет сохранять разработанные вычислительные алгоритмы и, таким образом, повторять вычисления при других входных данных.

Систему MATLAB обоснованно относят к одному из наиболее мощных научных калькуляторов, которому доступны практически все численные средства решения научных и инженерных задач, разработанные на настоящий момент. Использовать эти средства в командном режиме в большинстве случаев очень просто. Результат получают сразу непосредственно в командном окне в наглядной форме или в графическом виде в дополнительном графическом окне.

4.2 Структура программной модели

Для моделирования рассматриваемой ГАС ШП была разработана программа моделирования на языке MATLAB. Программная модель состоит из GUI-файла, содержащего описание графического интерфейса пользователя (ГИП), а также из пакета М-файлов (рисунок 8). В эти М-файлы выделены основные функции, выполняемые при моделировании, исходный текст которых приведен в Приложении Б.

М-Файл обеспечения обмена с ГИП является главным и образует единое целое с GUI-файлом описания ГИП. При моделировании запускается М-файл, который по надобности вызывает остальные М-файлы, содержащие следующие функции:

· Модель антенны - формирование элементов приемной антенны в трехмерном пространстве;

· Задание входных сигналов - создание имитируемых сигналов от объектов с заданными параметрами;

· Формирование выходов элементов антенны - добавление созданных сигналов на каналы сформированной антенны;

· Формирователь выходных эффектов - создание пространственных каналов наблюдения;

· Статистическая обработка - блок анализа результатов моделирования;

· Отображение - вывод в рабочее окно индикаторных картин и прочих параметров.



Рисунок 8 - Структурная схема программной модели ГАС ШП

В главном М-файле находятся операции взаимодействия с графическим интерфейсом (считывание введенных параметров, отображение графиков и результатов вычислений) и внешними функциями. Также главный М-файл содержит в себе основной алгоритм проведения модельного исследования. Для запуска программной модели в MatLab запускается главный М-файл.

Функционирование модели запускается по нажатию кнопки «Пуск», при этом кнопка «Стоп» отключается. После нажатия на кнопку «Пуск» считываются заданные параметры приемной антенны (радиус, расстояние между элементами, количество элементов и рабочий сектор). Считанные данные передаются во внешнюю функцию создания антенны. Результат вычислений функции записываются в два массива:

- координаты каждого элемента;

- курсовые углы элементов, относительно диаметральной плоскости антенны.

Далее запускается цикл, количество повторений которого, при установлении флажка «Счет», равно введенному количеству опытов. Если флажок «Счет» не установлен, то цикл будет выполняться бесконечное количество раз. Для прерывания функционирования модели нужно включить кнопку «Стоп». При этом по окончанию выполнения очередной итерации цикла, он не повторится - программа выйдет из цикла и на этом ее функционирование корректно завершится. Для повторного запуска нужно нажать кнопку «Пуск».

В цикле сначала задается энергетическое поле элементов приемной антенны с использованием функции добавления сигнала:

1. Задается уровень шумов в элементарных каналах приемной антенны (шумы между элементами некоррелированны, их распределение соответствует нормальному закону);

2. К полю антенны добавляется сигналы от сымитированных источников. Параметры этих сигналов, такие как уровень и угол прихода, вводятся в ГИП, закон формирования сигнала источника задан в главном файле программы в перечне параметров вызываемой функции добавления сигнала.

После создания энергетического поля антенны по введенным параметрам рассчитывается амплитудное распределение в горизонтальной плоскости учитываемое при формировании пространственных каналов. Вызывается функция формирования пространственных каналов, в параметрах которой указывается алгоритм обработки, рассчитанное амплитудное распределение и размер рабочего сектора. Результаты выполнения функции: выходные эффекты пространственных каналов наблюдения и курсовые углы направлений этих пространственных каналов.

Происходит накопление выходных эффектов пространственных каналов по времени, которое реализовано на экспоненциальном накопителе. Коэффициент накопления задается в окне графического интерфейса.

Далее вызывается блок анализа, в него передаются выходные эффекты пространственных каналов, курсовые углы расположения источников сигналов, порог разрешаемости, номер текущего цикла и общее количество опытов.

Из блока анализа полученный коэффициент и, при наличии, степень разрешения целей выводятся в ГИП. Также там отображается амплитудный график выходных эффектов пространственных каналов по горизонтальной плоскости. При приходе из блока анализа признака окончания моделирования, цикл обрывается (break). Можно принудительно оборвать цикл, нажав кнопку «Стоп» в ГИП. Если номер текущего цикла не превысил количество опытов (нет признака окончания из блока анализа), то цикл повторяется. Завершение работы программы (выход из цикла функционирования) видно на графическом интерфейсе по включенной кнопке «Стоп».

Модель антенны

Формирование антенны производится в трехмерном пространстве, по основным геометрическим законам [15]. Каждый элемент антенны (электроакустический преобразователь) представляется в виде трех его координат. Поскольку антенна является цилиндрической ее можно представить как несколько поясов, расположенных друг над другом на заданном расстоянии. Изначально рассчитываются координаты для элементов одного пояса моделируемой антенны в двумерной плоскости (рисунок 9). За начало координат принимается центр антенны, и тогда значения координат получатся:

,

,

где ? - угол положения i-го элемента антенны относительно ее диаметральной плоскости, r - радиус антенны.

Рисунок 9 - Координаты элементов пояса цилиндрической антенны

После расчета двумерных координат для представления антенны в трехмерном пространстве рассчитывается третья координата ее элементов (рисунок 10), которая для каждого пояса будет одна и равняется

где d - расстояние между элементами по вертикали, j - порядковый номер пояса.

Рисунок 10 - Расстояние между поясами цилиндрической антенны

Помимо расчета координат элемента отдельно создается массив с углами расположения элементов относительно диаметральной плоскости, которые используются далее в программе.

Задание входных сигналов

Сигналы от объектов создаются во временной области циклично. Параметры сигналов (уровень, частота и пр.) указываются вГИП, либо, непосредственно, в модуле задания входных сигналов. Так же есть возможность использования в качестве сигнала от объекта сигнала, сохраненного в звуковом файле типа wav. При этом сигнал из файла считывается последовательно при переходе к следующему циклу программы. Полученные сигналы используются при создании поля антенны.

Формирование выходов элементов антенны

Рассчитываются временные задержки прихода фронта сигнала на элементы антенны. Сигнал с введенными задержками и амплитудным коэффициентом, определяемым направленностью ХН одного элемента антенны прибавляется к полю (накопленному сигналу за этот период) этого элемента.

Область антенны, на которую падает сигнал, вычисляется, основываясь на углах расположения элементов антенны рассчитанных в предыдущей функции и угле прихода сигнала в горизонтальной плоскости. Эта область определяется как направление прихода сигнала в горизонтальной плоскости ± 90°.

Рассчитываются коэффициенты канонического уравнения плоскости в пространстве по формуле [15]:

Аx+By+Cz+D=0, где

A = (y₂ - y₁)• (z₃ - z₁) - (y₃ - y₁)• (z₂ - z₁);

B = (x₂ - x₁)• (z₃ - z₁) - (x₃ - x₁)• (z₂ - z₁);

C = (x₂ - x₁)• (y₃ - y₁) - (x₃ - x₁)• (y₂ - y₁);

D = - Ax₀-By₀-Cz₀;

Тогда расстояние от точки до плоскости определяется по формуле:



- нормирующий множитель.

Считается на момент выполнения расчетов, что плоскость волны сигнала приходит через первый элемент антенны. Этот элемент является первой точкой плоскости фронта волны сигнала, остальные две рассчитываются по заданным горизонтальному и вертикальному углам прихода сигнала:

x₃ = x₁, y₂ = y₁;

y₃ = sin (?/180°) + y₁;

z₃ = cos (?/180°) + z₁;

x₂ = cos (?/180°) + x₁;

z₂ = sin (?/180°) + z₁,

где ?и ? - углы по вертикали и горизонтали соответственно.

По полученному уравнению плоскости вычисляется расстояние между каждым элементом антенны и плоскостью волны. Зная скорость звука в воде, легко определяется временная задержка прихода плоской волны сигнала.

?_i =c•l_i,

где с - скорость звука в воде (приравнивается к 1500 м/с), l_i - расстояние между i-м элементом антенны и плоскостью волны.

К имеющемуся полю элемента прибавляется сигнал, заданный в параметрах запуска этой функции в главном цикле, с введенной временной задержкой, умноженный на амплитудный коэффициент для текущего элемента. Поле элемента, как и сигнал, представляется в частотной области.

Формирователь выходных эффектов

Функционирование блока формирования диаграммы направленности аналогично блоку добавления сигналов. А именно, в нем проводится расчет коэффициентов канонического уравнения плоскости компенсации, определение рабочего сектора приемной антенны, вычисление временных задержек, вносимых в сигналы, пришедшие на элементы рабочего пятна антенны для компенсации этого рабочего сектора до плоской антенны.

На один рабочий сектор может приходиться несколько пространственных каналов находящихся в диапазоне углов ? ±?/2, где ? - направление центральной оси рабочего сектора, ? - угловое расстояние между столбами антенны.

Поскольку антенна цилиндрическая, то при смещении рабочего сектора на один столб мы можем воспользовавшись рассчитанными задержками для предыдущего рабочего сектора получить диаграммы направленности в этом рабочем секторе для таких же пространственных каналов относительно центра рабочего сектора.

В зависимости от выбранного алгоритма формирования пространственных каналов происходит обработка сигналов элементарных каналов в рабочем секторе с введенными задержками по формуле (1), (2) или (3) для конкретного пространственного канала. Результат вычисления пространственного канала записывается в массив пространственных каналов наблюдения, который является выходом этого блока.

Статистическая обработка

Для проведения оценки разрешающей способности по горизонтальной плоскости по уровню минус 3 дБ (0,5 раз) от слабой из разрешаемых целей необходимо определить уровень выходного эффекта в пространственных каналах направленных на источники сигналов и минимальный уровень выходного эффекта между ними. Уровень выходного эффекта по направлению на сымитированный источник сигнала определяется по уровню в пространственном канале, соответствующему направлению на сигнал ±(расстояние между ПК)/2. Далее определяется минимальный уровень выходного эффекта по направлению на сигнал, затем на это значение делится значение минимального выходного эффекта между сигналами:

где А и В-уровни выходных эффектов в направлении на первый и второй источники сымитированных сигналов.

Полученный результат сравнивается с пороговым (0,5 раз). При превышении порога считается, что цели не разрешаются, в противном случае считается, что разрешаются.

В случае, если цели разрешаются, к показателю разрешаемости прибавляется единица. По окончанию анализа, когда номер цикла сравняется с количеством опытов, коэффициент разрешаемости делится на количество опытов. Таким образомполучается степень разрешения целей при выбранных параметрах. Блок анализа записывает в файл исходные параметры модельного исследования и значение степени разрешения целей, а также он выдает в главный модуль признак окончания моделирования и значения степени и коэффициента разрешения целей.

4.3 Графический интерфейс пользователя

Для управления и отображения результата функционирования программной модели используется ГИП, поэтому он содержит инструменты, такие как кнопки, всплывающие списки, поля для ввода данных, графический индикатор и т.п. ГИП используемый для работы с рассматриваемой программной моделью представлен на рисунке11.

Изображенный на рисунке ГИП позволяет наблюдать результаты, оперативно управлять вычислительным процессом программной модели и изменять ее параметры, такие как:

- угловое расположение источника имитируемого сигнала относительно диаметральной плоскости приемной антенны (КУ - в горизонтальной плоскости и УН - в вертикальной плоскости);

- амплитудный уровень имитируемых сигналов;

- частота тонального сигнала;

- коэффициент временного накопления пространственных каналов наблюдения;

- уровень шумов в элементарных каналах;

Рисунок 11 - Графический интерфейс пользователя

- амплитудное распределение элементарных каналов в горизонтальной плоскости в рабочем секторе пространственного канала.

Необходимый алгоритм обработки сигналов (аддитивный, мультипликативный, нормированный мультипликативный) с элементарных каналов при формировании ПК выбирается при помощи раскрывающегося списка ГИП.

Кнопка «Просмотр антенны» предназначена для отображения изображения трехмерной модели сымитированной приемной антенны во всплывающем окне.

В правой части ГИП отображаются амплитудный график откликов пространственных каналов («быстрый» обзор по горизонтали). По оси абсцисс графика расположены пространственные каналы, по оси ординат - энергия, в условных единицах.

Кнопка с функцией «Отображение» предназначена для включения вывода амплитудного графика веера пространственных каналов наблюдения на ГИП. Возможность отключения вывода графика позволяет получить прирост в производительности программной модели, поскольку блок анализа автоматизирован, и необходимость визуального контроля за процессом моделирования отсутствует.

Для автоматизации процесса вычислений предусмотрена установка диапазона изменения угловых расстояний между имитируемыми источниками сигнала («КУ нач», «КУ кон») с желаемым шагом («Шаг КУ»). При выполнении экспериментального исследования (включения блока анализа) в таблице, расположенной в левом нижнем углу, будет фиксироваться текущее угловое расстояние между целями и количество разрешений целей по принятому порогу. При наборе нужного количества опытов блок анализа не останавливает выполнение, а изменяет угловое расстояние в соответствии с «КУ нач», «КУ кон» и «шаг КУ».

В области ввода текста «Кол-во опытов» указывается количество опытов на каждом угловом расстоянии между целями. В окошке «Итог» выводится количество разрешений целей при текущем расстоянии между ними на текущий цикл. Кнопка «Сброс» позволяет обнулить количество разрешений. При установке флажка «Счет» подключается блок анализа к программе, при снятии флажка выполнение программы останавливается (включается кнопка «Стоп»).

Кнопка «Пуск» предназначена для запуска программной модели. кнопка «Стоп» служит для остановки программной модели и индикации состояния функционирования (если кнопка включена - программа остановлена, если выключена - выполняется).

5. Модельное исследование алгоритмов формирования ПК

Для обеспечения безопасности плавания ТПЛ, особенно перед всплытием, необходимо иметь четкую картину ближней надводной обстановки. Для определения количества надводных «препятствий» и для наилучшего оценивания параметров их движения следует иметь наилучшее разрешение по пространству каналов наблюдения. Наиболее гибким (в плане модернизации) элементом в такой ГАС ШП является ЦВК, который включает в себя реализацию алгоритма формирования веера ПК и систему отображения обработанной информации. Как известно, чем меньше ширина характеристики направленности ПК, тем больше разрешение. Для манипуляции шириной ХН можно применять различные алгоритмы формирования ХН, обеспечивающие различную ширину ХН, такие как: аддитивный; мультипликативный и нормированный мультипликативный алгоритмы.

Для исследования разрешающей способности ГАС ШП было решено взять 2 цели с различными значениями соотношений уровней сигнала и углов расположения источников имитируемых сигналов относительно диаметральной плоскости антенны по горизонтали. Накопление было выбрано - 8 мс, при количестве опытов - 100. Курсовой угол и уровень сигнала первой цели решено было оставить неизменным. Для второй цели курсовой угол определялся угловым расстоянием между целями. Пределы углового расстояния между целями для каждого соотношения уровней сигналов определялись экспериментально. Шаг изменения углового расстояния был выбран 0,05. Уровень сигнала от второй цели в процессе анализа изменялся от 1 до 10 с шагом 1 вручную. Также при моделировании углы наклона обеих целей было решено принять нулевыми, т.к. рассматриваемая приемная антенна имеет довольно широкую ХН по вертикали и в приемном тракте не предусмотрено формирование веера ХН по вертикали. Коэффициент амплитудного распределения устанавливался для каждого опыта индивидуально.

Основой анализа разрешающей способности трёх алгоритмов является критерий Рэлея [6], согласно которому два точечных объекта могут быть разрешены, если между максимумами откликов от них наблюдается провал до -3 дБ от уровня отклика слабой цели.

При моделировании, для упрощения модели и уменьшения нагрузки на компьютер, было решено идеализировать внешнюю среду, т.е. не учитывать искажения сигналов при прохождении водной среды от цели до приемной антенны. Помимо этого в данной модели не учитывается возможный разброс характеристик элементов имитируемого комплекса, таких как чувствительность приемников антенны, коэффициенты передачи каналов АПО и прочее.

Также при выполнении первичного сравнительного анализа алгоритмов обработки сигналов было решено не учитывать влияние помехи (шумов водной среды, шумов усилителей и АЦП), т.е. рассматривать принятые сигналы от целей без подачи шумовой составляющей на приемники.

5.1 Влияние амплитудного распределения на характеристики ГАС ШП

Для анализа влияния амплитудного распределения [8] на разрешающую способность ГАС ШП были рассмотрены 3 его вида: с отрицательным косинусным: A_m = 0,5 - 0,5•cos(?_m), где ?_m - угол между направлением оси симметрии апертурного окна и угловым положением m-го приёмного элемента (рисунок 12а), без амплитудного распределения: A_m = 1 (рисунок 12б) и с положительным косинусным законом формирования амплитудного распределенияA_m = 0,5 + 0,5•cos(?_m) (рисунок 12в). Нормированные ХН ПК для трёх рассмотренных алгоритмов, полученные при таких амплитудных распределениях.

По построенным ХН видно, что нормированный мультипликативный алгоритм при работе в полосе частот менее одной октавы имеет добавочные максимумы, равные по уровню основному максимуму, при отрицательном косинусном амплитудном распределении и без такого. Поэтому нормированный мультипликативный алгоритм исследовался только с положительным косинусным амплитудным распределением.

С помощью разработанной программы были построены диаграммы направленности выбранных трёх типов алгоритмов обработки на заданной модели приёмной антенны. Как видно, наименьшая величина ширины ХН по уровню -3дБ у мультипликативного алгоритма, однако следует принять во внимание значительные (до 1/3 от максимума) отрицательные боковые лепестки, которые могут образовать вокруг главного максимума «зону тени» для слабых сигналов. А ХН нормированного мультипликативного алгоритма, помимо отрицательных боковых лепестков, содержит и положительные, соизмеримые с уровнем основного лепестка.

Известно, что амплитудное распределение может подавить добавочные максимумы ХН, но при этом платой за это будет расширение главного максимума. На следующих слайдах представлены два типа амплитудного распределения входных процессов.

После введения амплитудного распределения с положительным косинусным законом формирования A_m = 0,5 + 0,5•cos(?_m) было отмечено, что ХН «повели» себя согласно теории: Главный максимум чуть расширился (0,2⁰) и уровень бокового поля снизился. Особенно это заметно при применении нормированного мультипликативного алгоритма.

При введении амплитудного распределения с отрицательным косинусным законом формированияA_m= 0,5 - 0,5•cos(?_m) было отмечено уменьшение ширины ХН всех трёх алгоритмов на 0,2⁰ с увеличением уровня боковых лепестков.

Поскольку ХН нормированного мультипликативного алгоритма имеет добавочные максимумы, соизмеримые с основным при отрицательном амплитудном распределении и без него, нормированный мультипликативный алгоритм далее рассматривался только при применении положительного косинусного распределения.

5.2 Качественное сравнение алгоритмов формирования ПК

Для предварительной оценки применимости рассматриваемых алгоритмов в разрабатываемой ГАС ШП при наблюдении за целями (источниками сигналов) на разработанной программной модели была рассмотрена ситуация нахождения двух целей, отстоящих друг от друга на 4°. Уровень сигнала от одной цели (на рисунке - правая) был ниже в 5 раз, чем от другой. Поскольку выбран довольно высокий порог обнаружения (6 раз), в модели уровень помехи, для упрощения моделирования, был приравнен к нулю.

Следует принять во внимание, что при отображении (выводе на экран оператора) полученного пространственного процесса (веера каналов наблюдения) аддитивный алгоритм требует применения процедур центрирования (вычитание из пространственного процесса составляющей помехи), а в мультипликативных отрицательные значения пространственного процесса отбрасываются (приравниваются к нулю). Однако, в ходе анализа центрирование не проводилось из-за отсутствия составляющей помехи.

В мультипликативных алгоритмах максимум отклика от слабого сигнала смещен в сторону от сильного, что можно объяснить влиянием отрицательного бокового поля отклика сильного сигнала. В аддитивном алгоритме такое смещение не наблюдается, однако «провал» между откликами от сигналов не значителен, т.е. плохо различим визуально. При этом в нормированном мультипликативном алгоритме отметка от слабого сигнала соизмерима по уровню с отметкой от сильного, что может говорить о высоком потенциале нормированного мультипликативного алгоритма по выделению слабых сигналов при наличии сильного. Следует принять во внимание, что отклик нормированного мультипликативного алгоритма от помехи так же может иметь довольно высокий уровень. Однако, если помеха не стационарна, то с введением временного накопления результирующий отклик от неё должен быть невысокого уровня.

Для сравнения индикаторных картин веера пространственных каналов при использовании рассматриваемых алгоритмов с помощью программной модели была сымитирована ситуация пересечения двух целей на фоне некоррелированного по пространству шума нормального вида (белый шум). Соотношение уровней шумов целей выбрано - 5 раз. Одна из них (слабая) с постоянным пеленгом, другая перемещается по горизонту с постоянной величиной изменения пеленга.

Индикаторная картина полученная с применением аддитивного алгоритма отцентрирована по среднему уровню помехи. При створе целей их отклики постепенно сливаются и становятся трудно различимыми. Однако, при расхождении суммарный отклик расширяется и оператор может интуитивно предположить взаимное расположение целей по горизонту.

По индикаторной картине, полученной с применением мультипликативного алгоритма можно сказать, что сигнальные отклики содержат окантовку по пространству, обусловленную наличием отрицательных боковых лепестков, которая визуально добавляет резкость отметке от сигнала. Однако отклики от слабых сигналов могут полностью подавиться «окантовкой» отклика сильного сигнала.

На индикаторной картине, полученной с применением нормированного мультипликативного алгоритма, наблюдается довольно высокий уровень помехи. Но окантовка сигнальных откликов почти полностью подавляет эту помеху, как и другие слабые сигналы. Поэтому требуется тщательный выбор алгоритма предындикаторной обработки. Выбором параметров формирования ПК можно снизить влияние негативных особенностей конкретного алгоритма.

5.3 Количественное сравнение разрешающей способности алгоритмов формирования ПК

Исследование проводилось для трёх алгоритмов обработки (аддитивного, мультипликативного и нормированного мультипликативного) с выбранными амплитудными распределениями при различных соотношениях уровней двух сигналов (от 1 до 10) при различном угловом отстоянной двух сигналов (числовые данные приведены в приложении Г). Для упрощения моделирования уровень помехи был приравнен к нулю (довольно высокий порог обнаружения - 6 раз), а так же отключен экспоненциальный накопитель (время накопления одного цикла формирования ПК - 8 мс).

Экспериментально было установлено, что с увеличением времени накопления до принятого - в 1 сек, область возрастания степени разрешения от 0 к 100 уменьшается и стремится к значению углового расстояния, равному 50%. Таким образом, за итоговое значение разрешающей способности (границы неразрешения) принималось значение углового расстояния между целями, при котором коэффициент разрешаемости равнялся 50%.

В целом полученные результаты показывают, что угловая зона неразрешения мультипликативных алгоритмов обработки меньше аддитивной на величину (0,1 - 0,5)?_А^3дБ, где ?_А^3дБ - ширина ХН при аддитивном алгоритме обработки. Значения ширины основных максимумов полученных ХН по уровню минус 3 дБ от максимума приведены в таблице 4.

Таблица 4. Ширина ХН ПК для трёх типов обработки

Амплитудное распределение Алгоритм
Аддитивный	2,470	2,720	2,960
Мультипликативный	1,750	1,940	2,130
Нормированный мультипликативный	1,810	2,040	2,250

Учитывая, что у ТПЛ не стоит задача поиска малошумящих целей, для наилучшего разрешений целей можно рекомендовать применение в ГАС ШП ТПЛ мультипликативного алгоритма после проведения дополнительных исследований ОСП и характеристик в вертикальной плоскости.

Указанные исследования показывают, что на данном этапе в высокочастотных ГАС ШП следует одновременно применять все три вида обработки с одновременным выводом на индикатор изображения двух типов графического представления трас обнаруживаемых надводных кораблей по результатам аддитивной обработки и по одному из вариантов мультипликативной обработки по выбору оператора (индикаторная картина второго варианта мультипликативной обработки при этом хранится в памяти ЦВК и может быть вызвана на экран по решению оператора). Картины отображения индикаторных процессов можно располагать относительно друг друга по вертикали или по горизонтали.

5.4 Моменты, требующие дополнительного рассмотрения

Следует учесть, что при проведении сравнительного анализа не учитывалось влияние бокового поля откликов от целей. Но, было отмечено, что в аддитивном алгоритме отклик от слабой цели маскируется боковым полем от сильной, а в мультипликативных алгоритмах, из-за наличия отрицательного бокового поля, при сближении отклик от слабой цели вообще исчезает (уходит в отрицательную область).

Также в процессе исследований мультипликативных алгоритмов обработки было замечено, что при сближении целей отклик от слабой уменьшается и смещается от сильной цели до величины ?_А^3дБ. Точность пеленгации при взаимном влиянии откликов от нескольких целей требует проведения дополнительных исследований.

Поскольку на уровень отклика от слабой цели и на отклик ПК между целями влияет боковое поле, то результаты анализа могут быть неточными. При дальнейшем исследовании алгоритмов обработки желательно рассмотрение влияния бокового поля сильной цели на слабую.

Нормированный мультипликативный алгоритм ограничен в применении из-за появления больших добавочных максимумов без применения амплитудного распределения. Однако его особенностью является нормирование откликов от разных по энергии целей. Даже при разнице энергий сигналов в 10 раз уровень отклика этих целей будет одинаковым при использовании нормированного мультипликативного алгоритма. Этот вопрос заслуживает более тщательного исследования.

Разрешающая способность алгоритмов формирования ПК на фоне некоррелированной помехи требует дополнительного рассмотрения.

Заключение

сигнал плавание пеленгование гидроакустический

Результаты проведенной работы показывают перспективность применения на автономных ТПЛ с водоизмещением свыше 500 тонн относительно малогабаритных ВЧ ГАС ШП с одновременным использованием аддитивной и двух вариантов мультипликативной обработки, которые обеспечивают возможность обнаружения НК на дистанциях до 2,6 км в мелких морях при сложных гидролого-акустических условиях.

В работе определены приемлемые для размещения на ТПЛ технические габаритные размеры забортной аппаратуры (антенн), которые могут уточняться, на базе примененных в исследовании методов в зависимости от конкретного проекта ТПЛ и выбрана структурная схема облика ВЧ ГАС ШП.

Показано, что внедрение ГАС ШП на ТПЛ обеспечивает резерв по времени на принятие решения по уклонению от столкновения с НК от 1,2 до 15,6 мин, в зависимости от скорости движения надводного судна и характера гидролого-акустических условий.

Получены оценки разрешающей способности для трёх алгоритмов формирования ПК при наличии на входе двух сигналов различных уровней. По полученным результатам сделан вывод об эффективности мультипликативного алгоритма формирования ПК для решения задач обеспечения безопасности ТПЛ. А так же проведено визуальное сравнение индикаторных картин, полученных при различных алгоритмах формирования веера ПК, в том числе и на фоне некоррелированной по пространству помехи.

Определены возможные направления дальнейших исследований по анализу характеристик ВЧ ГАС ШП.

Список литературы

1. http://www.korabel.ru/equipment/item_view/347622.html;

2. http://www.ussubmarines.com/submarines/luxury.php3;

3. Железный В.Б., Островский Д.Б., Сапега А.В., Ярыгин В.А. Проблема обеспечения навигационной безопасности плавания туристических подводных лодок // Труды Шестой межд. конф. «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики - ГА-2002». СПб., 2002 г.;

4. N.E. Gorlanov, D.B. Ostrovsky, A.V. Sapega, V.A. Yarygin, V.B. Zhelezny. Estimation of short-range sonar capabilities in navigation safety // 2^nd Intern. Conf. «Navy and Shipbuilding Nowadays» - NSN'2001, 4-6.12.2001. St.-Petersburg, 2001 г.;

5. Ю.А. Корякин, С.А. Смирнов, Г.В. Яковлев. Корабельная гидроакустическая техника - Санкт-Петербург, «Наука», 2004 г.;

6. Allan V. Oppenheim. Applicashionsof Digital Signal Processing, Prentice-Hall? Inc., Engleewood Cliffs, New Jersey, 1978;

7. Fakley D.C. Time Averaged Product Array, JASA, 31,1959;

8. Роберт Дж. Урик. Основы гидроакустики / Перевод с англ. - Л.: Судостроение, 1978 г.;

9. Андрианова М.С., Чернова А.С. Первичная оценка возможности использования гидроакустических станций шумопеленгования на туристических подводных лодках // Тр. Второй молодежной конф. «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». СПб, 2011 г.;

10. Колчеданцев А.С. Гидроакустические станции - Л.: Судостроение, 1982 г.;

11. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике, 2-е изд. - Л.: Судостроение, 1988 г.;

12. Тебякин В.П. и др. Raymod52 - базовый комплекс программ для вычисления звуковых полей в слоисто-неоднородном океане лучевым методом // Отчет АКИН. М.: АКИН, 1990.

13. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7 - СПб.: БХВ-Петербург, 2005 г.;

14. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов, 3-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011 г.;

15. Ильин В.А., Позняк Э.Г. Аналитическая геометрия. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002 г.

Размещено на Allbest.ru