МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.06, кандидат наук Иванов Евгений Николаевич

• Иванов Евгений Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов Евгений Николаевич

КОМПЛЕКСОВ

1.1 Общие сведения

1.2 Система телеметрии и метод передачи информации для массивов акустических датчиков

1.3 Помехоустойчивость плоской антенны, состоящей из комбинированных приёмников

1.4 Использование комбинированных приёмников в линейных акустических массивах

1.5 Система телеметрии с низким энергопотреблением

1.6 Начальный анализ данных от вертикального массива БГРАЯ

1.7 Оценка направления прибытия акустической волны с использованием векторного приемника на звукопоглощающем цилиндре

1.8 Современные исследования в области применения векторных приемников

1.9 Подводные акустические приемные комбинированные системы

1.10 Донные приемные системы

1.11 Свободно дрейфующие комбинированные телеметрические системы

ГЛАВА 2. МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ

КОМБИНИРОВАННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕЛЕНГА НА ШУМЯЩИЙ ОБЪЕКТ

НА ОСНОВЕ ПАССИВНОЙ РАЗНОСТНО-ФАЗОВОЙ ЛОКАЦИИ

2.1 Комбинированный приёмник

2.2 Принцип работы многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса

2.3 Устройство защиты

2.4 Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

2.5 Коммутация

2.6 Формирователь диаграммы направленности

2.6.1 Помехоустойчивость комбинированного приемника

2.7 Макет системы передачи данных для многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса

2.7.1 Состав макета СПД

2.7.2 Принцип работы

2.7.3 АЦП

2.7.4 Конвертер интерфейсов

2.8 Эксперимент "Витязь 2009"

2.9 Способ определения пеленга на шумящий объект на основе пассивной разностно-фазовой локации

2.10 Применение современных средств связи и обработки информации в задачах акустических исследований подводных шумов и сигналов полученных с помощью комбинированных приемных систем

2.10.1 Одноплатная ЭВМ

2.10.2 Комбинированный приемник

2.10.3 Гидроакустический комплекс

2.10.4 Технические характеристики

2.10.5 Резервный канал передачи данных и устройство автоматического перезапуска системы

2.10.6 Заключение

2.11 Мобильные акустические комбинированные приемные системы на основе автономных необитаемых подводных аппаратов

2.11.1 К вопросу о помехоустойчивости одиночного комбинированного приемника

2.11.2 Техника и методология комбинированных измерений

2.11.3 Современные приемные комбинированные системы, разработанные и созданные в лаборатории акустических шумов океана ТОИ ДВО РАН (краткий обзор)

2.12 Гидроакустический комбинированный интерферометр интенсивности

2.13 Исследование гидроакустического волнового поля посредством статического момента четвертого порядка

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АПРОБАЦИИ

ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

3.1 Метод пеленгации акустических целей, использующий преобразование Гильберта и поворот системы координат

3.1.1 Введение

3.1.2 Данные

3.1.3 Математическая основа алгоритма

3.1.4 Вычисление фазы и аналитический сигнал

3.1.5 Бегущий сигнал

3.1.6 Методика вычисления

3.1.7 Выводы

3.2 Признаки, определяющие компенсацию встречных потоков энергии в акустических полях океана

3.2.1 Введение

3.2.2 Результаты эксперимента

3.2.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС»

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование техники измерения подводных векторных акустических полей направлено на повышение информативности и точности исследуемых величин. Информативность и точность акустических измерений возможно повысить путём увеличения числа измерений акустических величин различной природы. Задача, которую перед собой ставит автор, сконцентрирована на создании приёмной акустической системы способной адаптироваться к изменяющимся гидрофизическим и акустическим условиях мелкого моря, на основе расширения измеряемых акустических параметров.

Одновременное измерение четырех компонент акустического поля: акустического давления и трех ортогональных компонент колебательной скорости частиц среды или градиента давления дает новую возможность в создании акустической техники нового поколения и открывает новые возможности в исследовании акустических полей в океане. Данный метод измерений называется векторно-фазовым методом. Приемник, измеряющий четыре компоненты акустического поля - комбинированным. Направление в подводной физической акустике, основанное на комбинированных измерениях, называется векторной акустикой.

Целью работы является проведение исследований векторных акустических полей и разработка на их основе гидроакустической исследовательской системы нового поколения, позволяющей измерять векторные характеристики сложных акустических полей, определять направление (пеленг) из одной точки на шумящий объект векторно-фазовым методом, а также передавать полученную информацию в режиме реального времени по сетям передачи данных, в том числе через сеть интернет.

Современные средства обработки и передачи информации позволяют создать на основе комбинированных акустических приёмников приёмные системы нового поколения. Внедрение в подводную акустику комбинированных приёмных систем позволит исследовать акустические поля

шумов и сигналов на принципиально новом техническом уровне. Если приёмные системы из гидрофонов способны измерять скалярные характеристики, то комбинированные приёмные системы переходят в область векторных характеристик акустического поля.

Создание современных цифровых акустических комбинированных систем является одной из главных задач современной подводной акустики, решение которой позволит продвинуться в исследовании векторных характеристик акустического поля. Основная проблема заключается в том, что акустические подводные исследования, основанные на измерениях акустического давления, технически проще комбинированных приемных систем. При переходе к комбинированным системам исследователь сталкивается с целым рядом проблем, для решения которых необходимы новые знания из области гидродинамики, колебательных процессов распределенных протяженных систем, псевдозвуковых помех и т.д. Необходимо отметить, что амплитуда смещения частиц в акустической волне средней интенсивности (~ 60 дБ отн. 1

2 7 8

мПа /Гц) составляет в пределах 10 - 10 см. Отсюда ясно, насколько сложно измерять величины такого порядка. Диссертационная работа посвящена разработке многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса, принцип действия которого основан на новейших достижениях в фундаментальных исследованиях векторных характеристик акустического поля реального океана.

Объединение новейших технических средств подводной акустики с современными информационными технологиями позволит создать высокоэффективные адаптивные системы с использованием новейших теоретических и экспериментальных научных достижений современной подводной акустики в России.

Внедрение векторных сенсоров в гидроакустическую технику совместно с цифровыми методами обработки сигналов, безусловно, окажет существенное влияние на развитие современной подводной акустики. Хотя одиночные

комбинированные сенсоры широко и успешно используются в исследовании подводных акустических полей, использование их в приёмных системах не нашло до настоящего времени должного применения.

Гидрофон, измеряющий давление, является акустическим преобразователем нулевого порядка; приёмник колебательной скорости -преобразователем первого порядка. Совмещение в одном измерительном устройстве двух преобразователей различных порядков образует, по определению А.А. Харкевича, комбинированный приемник, который обладает новыми характеристиками, в отличие от входящих в него преобразователей.

Существуют донные и свободно дрейфующие комбинированные измерительные системы для исследования акустических полей окружающих подводных шумов в условиях прибрежной зоны и районов глубокого открытого океана.

В условиях прибрежной зоны комбинированные приемные системы устанавливаются непосредственно на дне или располагаются в слое воды при помощи плавучести. Информация с приёмных систем передается по оптоволоконному кабелю в береговую лабораторию. Дальность действия до 100 км при передаче по оптоволоконному кабелю на береговую исследовательскую базу.

Исследование акустических полей в реальной подводной среде, в особенности поля окружающего шума, представляет собой сложную задачу в методологическом и техническом отношении. Эти проблемы возникают из-за того, что подводная среда океана представляет собой неоднородную движущуюся среду, а также обусловлены неконтролируемым движением приемников и источников звука относительно среды. Эти проблемы возникают на границе между собственно акустикой и гидродинамикой и связаны с существованием помех не волнового происхождения, особенно в области низких частот.

Создание измерительных систем для исследования характеристик подводного окружающего шума или обнаружения слабого сигнала на фоне анизотропной помехи невозможно без обобщения экспериментальных исследований о поведении различных измерительных систем в реальной океанической среде. Простейший пример показывает, что даже незначительные вертикальные перемещения гидрофона могут привести к возникновению помехи, сравнимой по уровню с шумом океана. Давление низкочастотного шума океана (/ < 10 Гц) имеет порядок 1 Па, и на такую же величину изменяется статическое давление при вертикальных перемещениях гидрофона всего на 0,01 см. Помимо колебаний давления, которые возникают при вертикальных перемещениях гидрофона, в помехе могут присутствовать

3 2 1

составляющие, обусловленные сравнительно высокой (порядка 10 Вс м") вибрационной чувствительностью гидрофонов. Приведенная к давлению, эта чувствительность составляет 5 Па с м-1. При измерении векторных характеристик поля, таких как колебательная скорость (градиент давления), проблема измерений значительно усложняется.

При проведении натурных акустических исследований комбинированный приёмник должен быть помещен в заранее определенную точку измерения в океаническом волноводе. Донные системы связаны с дном океана, и их приемные модули могут располагаться непосредственно на дне или у дна (на расстоянии 1,5-3,0 м) либо в толще водного слоя (на расстоянии нескольких сотен метров от дна), поддерживаемые подводной плавучестью.

Донные приемные системы обычно использовались в прибрежной зоне на глубинах не более 300 м. Основной трудностью, с которой сталкиваются при конструировании донных систем, являются шумы обтекания, которые могут быть значительными, вызванные придонными течениями, а также приливно-отливными течениями. В прибрежной зоне обычно наблюдается интенсивное ближнее судоходство, связанное с рыболовными и транспортными судами, что также значительно осложняет исследование подводного окружающего шума. В

прибрежных зонах вблизи населенных пунктов наблюдается наводка тока промышленной частоты 50 Гц, что также является большой проблемой.

В данной работе автором предлагается быстрый алгоритм определения пеленга на цель с использованием математического преобразования поворота, преобразования Гильберта и элементов теории аналитического сигнала.

В аппаратном ключе в эксперименте использовался комбинированный акустический приемник, регистрирующий акустическое давление Р и три компоненты колебательной скорости Ух , Уу , У2. На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Разработанный и изготовленный макет многоканального цифрового комбинированного гидроакустического комплекса.

2. Способ определения пеленга и координат шумящего объекта на основе пассивной разностно-фазовой локации.

3. Методика определения критериев явления компенсации встречных потоков энергии шума и сигнала.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

1.1 Общие сведения

В этой главе описаны основные задачи и возможности гидроакустических систем, методы обработки сигналов в гидролокационных системах, способы формирования диаграммы направленности, некоторые реализации гидроакустических систем, а также современное состояние проблемы создания гидроакустических комплексов.

Термин SONAR определяется Уиндером [1] как «метод или устройство для обнаружения, определения местоположения и установления физической природы объектов в море с помощью акустических волн, распространяющихся в водной среде». SONAR - это акроним английского словосочетания Sound Navigation and Ranging (измерение дальности и навигация с помощью акустических волн). Гидролокация получила практическое применение ещё в начале XX столетия, хотя упоминания об особенностях подводного распространения звука встречались значительно раньше [2].

В активной гидролокационной системе (ГЛС) излучаются звуковые колебания (волны), которые после отражения от цели попадают в приёмное устройство и используются для обнаружения и определения (оценки) координат цели (рис.1.1а). Эффективность ГЛС зависит от потерь интенсивности акустического сигнала в процессе распространения в морской среде, потерь при отражении от цели, а также от уровня аддитивных внутренних шумов в приёмном устройстве. Однако основным фактором, ограничивающим эффективность, является реверберация, возникающая при отражении излучаемого сигнала от поверхности моря, морского дна, биологических объектов в воде и от неоднородностей морской среды.

ГКлеркиость коря

Рис.1.1а. Активная гидролокационная система.

В пассивных гидролокационных системах обнаружение объектов и оценка их координат основаны на приёме и обработке акустических сигналов, излучаемых самой целью (рис.1.1б). Работа пассивных ГЛС лимитируется потерями на распространение и уровнем аддитивных шумов приёмника. Однако основным ограничивающим фактором для пассивных ГЛС является неточность знаний акустических излучений целей, а также обусловленная водной средой дисперсия («размывание») сигналов, излучаемых целью, во времени и по частоте.

Рис.1.1б. Пассивная гидролокационная система. Только в последние 20-30 лет в гидроакустическую технику начала внедряться современная быстродействующая электронная вычислительная аппаратура. В результате наметился неуклонный переход от аналоговых

методов обработки гидроакустических сигналов к цифровым, от систем с ручным управлением к автоматизированным системам на базе ЭВМ. Благодаря прогрессу в области систем связи появилась возможность передавать данные в режиме реального времени на неограниченные расстояния. Достижения в цифровой обработке гидроакустических сигналов зависят от наличия серийно выпускаемых быстродействующих микросхем и ЭВМ, а также от разработки алгоритмов, таких как известные в радиолокации алгоритмы обработки сложных сигналов, появления в гидроакустике цифровой фильтрации и алгоритмов быстрого преобразования Фурье, разработанных для статистического анализа временных рядов и речевых сигналов.

Перечислим области применения гидроакустических систем:

а) обнаружение косяков рыб

б) картографирование морского дна

в) навигационные задачи

г) сейсмическое прогнозирование

д) гидроакустическая океанография

Указанные применения, в общем случае, требуют разработки специальных методов и устройств, а не просто переноса их из других областей техники, что обусловлено особенностями и существенной неопределённостью характеристик подводной среды распространения акустических волн.

В гидролокации скорость распространения звуковых волн есть зависящая от времени функция глубины и расстояния, причем отмечена существенная зависимость скорости от географического района и времени года. В результате наблюдаются сложные рефракционные явления при распространении волн, которые трудно предугадать, особенно когда волны взаимодействуют с поверхностью моря или дном.

Перемещения водных масс, волнение морской поверхности, движение носителей ГЛС и целей приводят к многообразию каналов дисперсии сигналов во времени, по частоте и в пространстве (по угловым координатам).

Потери энергии при поглощении, зависящие от несущей частоты акустической волны, ограничивают максимальные дальности эффективной работы ГЛС до относительно малых величин по сравнению с тем, что можно было бы ожидать, если учитывать только потери при простейших, цилиндрической или сферической, функциях распространения;

Океан наполнен помеховыми акустическими источниками, в частности, шумами механизмов и машин при движении судов, гидродинамическими шумами, шумами ветровых волн, звуками биологических объектов и даже умышленными акустическими помехами.

Существуют стандартные методики приближённого оценивания характеристик гидролокационных систем. Соответствующие

гидролокационные уравнения, приведённые в работе [2], являются основой предварительных расчётов характеристик систем, которые позднее могут быть уточнены путём более детального статистического анализа. В простейшем виде уравнения гидролокации записываются следующим образом: для активных ГЛС:

8НКЛУ=8Ь-2ТЬ+Т8-(Ж-В1) (1.1)

для пассивных ГЛС:

8НКЛУ=8Ь-ТЬ-(ЫЬ-В1) (1.2)

где

БККАУ - номинальное (располагаемое) отношение сигнал/шум на входе приёмника (в дБ);

БЬ - уровень излучения акустического источника (в дБ) по отношению к 1

мкПа (это единица интенсивности звука в плоской волне со

22 2

среднеквадратическим значением звукового давления 0,64-10" Вт/см );

ТЬ - потери (в дБ) при распространении в одном направлении - от источника

излучения к цели или от цели к приёмнику;

ТБ - сила цели (в дБ) в случае активных ГЛС. Этот параметр связан с эффективностью отражения звука от цели;

КЬ - уровень шума в приёмнике (в дБ) относительно 1 мкПа;

- показатель направленности приёмной антенны (в дБ). Эта величина показывает в какой степени антенна ослабляет изотропные шумы.

Иными словами, отношение сигнал/шум БКЯ при активном методе гидролокации зависит от мощности излучаемого сигнала за вычетом потерь на распространение при двухстороннем прохождении сигнала (от цели и обратно) и изменений, вносимых целью (параметр - сила цели), и выражается в единицах мощности шумов на выходе направленной приемной антенны. В пассивной гидролокации величина БКЯ определяется мощностью сигнала, излучаемого целью за вычетом потерь на распространение при одностороннем прохождении сигнала (от цели к ГЛС) и выражается в единицах мощности шумов на выходе направленной приёмной антенны. В определенных условиях в активных ГЛС «шумы» на входе приемника будут обусловлены, главным образом, реверберацией, т. е. наложением большого количества сигналов, отраженных от мешающих объектов, находящихся в водной среде. В этом случае в формуле (1) уровень шумов (КЬ - Б1) у приемника следует заменить на уровень ревербераций ЯЬ, который наблюдается на выходе приемной гидроакустической антенны.

Приведенные выше простые на первый взгляд уравнения гидролокации могут быть успешно использованы для оценки характеристик ГЛС только в том случае, когда каждый из входящих в формулы параметров будет определен достаточно точно и когда будет учтена, если это необходимо, возможная взаимозависимость параметров.

После упрощённой оценки номинального отношения БКЯ его следует сравнить с нужным значением БКЯ на входе приемника, обеспечивающим решение основных задач гидролокации (обнаружение, определение координат целей и т. п.). Указанное сравнение редко удается выполнить непосредственно, так как номинальная и требуемая величины БКЯ зависят от ряда параметров и

характеристик цели, среды распространения акустических волн и самой ГЛС. В таблице 1 указаны некоторые взаимосвязи между параметрами, входящими в уравнения гидролокации. Удобной для описания временных и частотных «размываний» сигналов в процессе распространения в морской воде является функция рассеяния канала [3]. Временное «размывание» сигнала обусловлено, в основном, многолучевостью распространения, при котором гидроакустические волны от акустического источника к приемнику приходят по многим путям: по прямому пути, при отражениях от поверхности моря и от дна, вследствие преломления, обусловленного изменением скорости распространения акустических волн с глубиной. Частотное «размывание» может быть вызвано перемещениями масс самой воды, как на поверхности, так и в толще, а также движением цели.

Таблица 1.1. Факторы, влияющие на значения величин в уравнении

гидролокации

Величина Факторы

Уровень излучаемого сигнала (БЬ) Активные ГЛС Эффективность излучателей. Мощность возбуждения акустических преобразователей. Рабочая частота. Ширина спектра. Глубина погружения передающей системы. Пассивные ГЛС Глубина цели. Характеристики механизмов цели

Потери на распространение (ТЬ) Рабочая частота. Расстояния. Глубины передающей и приёмной систем. Глубина цели. Скорость распространения звука в зависимости от глубины, расстояния, погоды, времени года.

Уровень шумов (КЬ) Рабочая частота. Глубина приёмной антенны. Полоса пропускания. Плотность движения кораблей. Плотность биологических объектов.

Уровень ревербераций (ЯЬ) Уровень сигнала. Сила отражений. Ширина луча антенны. Длительность импульса.

Показатель направленности (Б1) Частота. Структура и размеры антенны. Коррелированность шумов.

Сила цели (ТБ) Частота. Размер цели. Структура цели. Угол наблюдения (ориентация цели относительно линии ГЛС-цель)

Требуемое соотношение сигнал/шум (8КЯ) Структура сигнала. Структура приёмника. Функции рассеяния канала распространения (каким образом принимающая мощность распределена во времени и по частоте)

1.2 Система телеметрии и метод передачи информации для массивов акустических датчиков

Слово "телеметрия" относится к системам связи, которые производят измерения в отдаленных или недоступных пунктах и передают эти измерения к приёмному оборудованию, где они отслеживаются, регистрируются и отображаются. Телеметрические системы обычно включают один или более приборов измерения/передачи, передающую среду, ресивер и регистрационное и/или отображающее оборудование. Прибор измерения/передачи обычно -преобразователь, который преобразовывает физические значения в электрические сигналы.

Система телеметрии [10] включает множество акустических датчиков для получения акустической информации и выработки аналоговых сигналов, основанных на полученной акустической информации (рис.1.2). Первое множество подсистем подключено к, по крайней мере, одному подмножеству массива акустических датчиков. Первое множество подсистем сконфигурировано так, чтобы принимать аналоговые сигналы от акустических датчиков и генерировать цифровые значения, основанные на полученных аналоговых сигналах. Система включает первый оптический сплитер. Первый оптический передатчик передает первый набор оптических импульсов к первому оптическому сплитеру. Первый оптический сплитер сконфигурирован так, чтобы передавать первый набор оптических импульсов к каждой подсистеме в первом множестве подсистем. Каждая подсистема в первом множестве подсистем сконфигурирована так, чтобы модулировать первый набор оптических импульсов, основанных на сгенерированных цифровых значениях и, таким образом, генерировать модулированный поток оптических импульсов.

Рис. 1.2. Схема системы телеметрии для массива гидроакустических датчиков.

Первый оптический объединитель получает и комбинирует модулированный поток оптических импульсов от каждой подсистемы в первом множестве подсистем, таким образом, генерируя объединенный модулированный поток оптических импульсов. Первый оптический ресивер получает объединенный модулированный поток оптических импульсов от первого оптического объединителя. Первый оптический ресивер конфигурирован, чтобы генерировать электрические сигналы, основанные на полученном объединенном модулированном потоке оптических импульсов.

Один из типов существующей системы телеметрии - подводная акустическая система телеметрии, которая может использоваться для определения позиции подводного объекта относительно акустической сети. Такая система обычно включает массив акустических датчиков, установленный

за пределами подводного объекта, такого как подводная лодка, и множество внешних электронных "бутылок" (OBE). Бутылки OBE - электронные подсистемы, упакованные в контейнеры, способные выдерживать высокое давление, установленные за пределами подводного объекта. Каждая бутылка OBE получает и обрабатывает акустические сигналы от некоторого количества акустических датчиков в акустическом массиве. Каждая бутылка OBE связывается с бортовой электронной подсистемой через дуплексное оптоволоконное соединение.

Текущие обычные дуплексные оптоволоконные соединения телеметрии нежелательны для будущих больших широкополосных акустических массивов. Герметичное соединение необходимо для двух пар оптоволоконных кабелей для каждой бутылки OBE. Герметичное соединение дорого и вообще нежелательно. Кроме того, наличие законченной оптической передачи и приёма в каждой бутылке OBE улучшает характеристики рассеивания мощности во внешней среде.

Ожидается, что большие массивы будут необходимы в будущих телеметрических приложениях, включая больше бутылок OBE с более высокой пропускной способностью. Добавление бутылок OBE требует дополнительных нежелательных герметичных соединений и приводит к большему внешнему рассеиванию мощности.

Кроме того, использование существующего протокола (TAXI) для -обычных систем телеметрии, практически исчерпало свои возможности. TAXI -устаревший протокол, который плохо работает с большими массивами датчиков.

Желательно было бы обеспечить систему телеметрии высокой пропускной способностью, сохранив низкую стоимость, более простым устройством, меньшим количеством герметичных соединений, низким энергопотреблением и высокой надежностью, чем существующие системы.

1.3 Помехоустойчивость плоской антенны, состоящей из комбинированных приёмников

В работе [11] рассматривается помехоустойчивость плоской многоэлементной антенны, состоящей из комбинированных приемников, при различных видах обработки сигналов: аддитивных (оптимальной, квазиоптимальной и равновесной) и мультипликативной. При оптимальной обработке на сумматоре антенны происходит сложение сигналов от всех приемников давления и колебательной скорости после их умножения на комплексные коэффициенты Аф обеспечивающие максимальную величину помехоустойчивости при поэлементной обработке. При остальных видах обработки вначале формируются отдельные пространственные каналы суммированием сигналов от приемников давления (канал р) и приемников колебательной скорости (канал у), после чего, напряжения на выходах этих каналов либо перемножаются (при мультипликативной обработке), либо складываются с равными весами (равновесная обработка) или с весами, максимизирующими коэффициент помехоустойчивости при поканальной обработке (квазиоптимальная обработка). Оптимальная и мультипликативная обработки, применительно к комбинированным антеннам, предложены в работе [12].

Будем полагать, что плоская антенна, состоящая из комбинированных приемников, в каждом из которых имеется один приемник давления и один приемник колебательной скорости, лежит в плоскости ХОУ, ось симметрии характеристики направленности приемника колебательной скорости перпендикулярна этой плоскости, а источник полезного сигнала расположен в направлении, совпадающем с осью 7. Как известно, в рассматриваемом случае коэффициенты Лч могут быть найдены в результате решения системы алгебраических уравнений:

8, ё=1,п,

(1.3)

X Адн*д = У

9=1

где п - общее число приемников антенны, с - некоторая константа, у -чувствительность приемника с номером 8, Н*8д - функция корреляции помех на выходах элементов 8 и д, звездочка означает комплексное сопряжение,

тт * Уд Ух

н*д=17

л 2л

\\1п (в,( в^ (в,( в*(в,()

(1.4)

0 0

exp(-ikdgq sin в cos (р)йф sin Шв,

Вё(в, ф) - нормированная в направлении в = 0 характеристика направленности элемента антенны с номером 8, dgq- расстояние между центрами элементов с номерами 8 и д, к - волновое число. 1п(в, ф) - пространственный спектр помех. Так как значения коэффициентов Ад достаточно определять с точностью до постоянного сомножителя, коэффициент с в системе (1.3) можно положить равным единице.

Коэффициент помехоустойчивости % можно определить по формуле:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов Евгений Николаевич, 2015 год

ЛИТЕРАТУРА

1. A.A. Winder "II. Sonar System Technology." IEEE Trama Sontca vol. SU-22, Sept. 1975.

2. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978.

3. R. S. Kennedy Fading Desprative Communication. New York: Wikey, 1969.

4. Гордиенко Е.Л., Захаров Л.Н., Ильичев В.И., Ильин С.А., Пенкин Ю.В., Щуров В. А. Шумовое поле в мелких водоемах // Х Всесоюзная акустическая конференция. М., 1983. Секция Д. С. 59-62.

5. Щуров В. А. Статистические свойства поля шумов океана // Труды Всесоюзной школы-семинара по стат. Гидроакустике (СГ-14). М., 1986. С. 32-36.

6. Дзюба В.П., Ильичев В.И., Щуров В.А. Статистические свойства поля акустического шума океана // ДАН СССР. 1986. Т. 291, №4. С. 982-984.

7. А.с. 953468. Устройство для измерения параметров источников шума / Л.Н. Захаров, В.И. Ильичев, В.А. Щуров. 1982. Бюл. №31.

8. Захаров Л.Н., Ильичев В.И., Ильин С.А., Щуров В.А. Векторно-фазовые измерения в акустике океана // Проблемы акустики океана. М.: Наука, 1984. С. 192-204.

9. Ильичев В.И., Митник Л.М., Щуров В.А. Оценка спектра динамических шумов океана по данным спутниковых радиофизических измерений // III Всесоюзный съезд океанологов: Тез. Докл. Секция Физика и химия океана. Акустика и оптика. М., 1987. С. 64-66.

10. US Patent No. US 7,184,670 B2. Telemetry system and method for acoustic arrays // Van Winkle (Van) T. Townsend, Herdon, VA (US). Feb., 27, 2007.

11. В.В. Баскин, М.Д. Смарышев Помехоустойчивость плоской антенны, состоящей из комбинированных приемников // Акуст. журн., 2008, Т.54, №4, С. 629-636.

12. Клячкин В.И. Статистический анализ векторно-фазовых характеристик акустических полей и алгоритмы их регистрации // Акуст. журн. 2004. Т. 50. №4. С. 21-25.

13. Песоцкий А.В., Смарышев М.Д. Сопоставительная оценка эффективности приемных антенн, состоящих из комбинированных приемников в свободном поле и вблизи плоского экрана // Акуст. журн. 1989. Т.35. №3. С. 495-498.

14. Смарышев М.Д. Влияние импеданса акустического экрана на полевые характеристики приемников антенн шумопеленгования и способы ее фазирования. Научно-технический сборник. Гидроакустика // Вып. С.10-20.

15. Robert H. MacPhie On using pressure and pressure gradient sensor pairs in linear acoustic arrays. Departament of Electrical Engineering, University of Waterloo, Waterloo, Ontario, Canada N2L 3G1 4. Bruce M. Abraham, PhD.

16. R.N. Bracewell, The fourier transform and its application (McGraw-Hill, New York, 1965), pp. 198-200.

17. Патент РФ №2221261 Способ акустического зондирования океана. Коренбаум В.И., Тагильцев А.А., Моргунов Ю.Н., Каменев С.И., Нужденко А.В., Дзюба В.П. 2002.

18. Гаврилов А.Н. Об эксперименте "Arctic climate observation using underwater sound" - в книге Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. - М.: ГЕОС, 1998. С. 10-15.

19. Морозов А. К. Декомпозиция энергии шумоподобных фазоманипулированных сигналов, принимаемых многоэлементной антенной системой, на плоскости угол-задержка - в книге Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. С. 37-41.

20. Гордиенко В.А., Ильичев В.И., Захаров Л.Н. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Наука, 1989.

21. Морозов А. К. Декомпозиция энергии шумоподобных фазоманипулированных сигналов, принимаемых многоэлементной антенной системой, на плоскости угол-задержка - в книге Акустика океана. Сб. трудов школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. М.: ГЕОС, 1998. С. 37-41.

22. Справочник по радиолокации. // Под ред. М. Сколника. М.: Сов. Радио. 1979. Т. 3. С.400.

23. US Patient No. US 2006/0132189 A1. Michael D. Holt, Kenneth B. Tyssinger, J. Lamar Chancey, Jun.22, 2006.

24. G.L. D Spain, W.S. Hodgkiss, G.L. Edmonds, J.C. Nickles, F.H. Fisher, R.A. Harriss. Initial analysis of the data from the vertical DIFAR array. IEEE, 1992.

25. G.L. DSpain, W.S. Hodgkiss. Array processing with acoustic measurements at a single point in the ocean. J. Acoust . Soc. Am., vol. 91. no. 4, pt. 2, pp. 2364, 1992.

26. Y. Song, S. Rahardja, R. Yu. Direction of arrival estimation using acoustic vector-sensor on sound absorber cylinder.

27. R. K. Cook and P. Chrzanowski, "Absorption and scattering by sound absorbent cylinders", Journal of Acoustic Society of America, vol. 17, no. 4, pp. 315-325, Apr. 1946.

28. M. Lax and H. Feshbach, "Absorption and scattering for impedance boundary conditions on spheres and circular cylinders," Journal of Acoustic Society of America, vol. 20, no. 2, pp. 108-124, Mar. 1948.

29. G. A. Daigle, Michael R. Stinson, and James G. Ryan, "Beamforming with aircoupled surface waves around a sphere and circular cylinder," Journal of Acoustic Society of America, vol. 117, no. 6, pp. 3373-3376, June. 2005.

30. N. Zou and A. Nehorai, "Circular Acoustic Vector-sensor Array for Mode Beamforming," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 57, no. 8, pp. 3041-3052, 2009.

31. N. Zou and A. Nehorai, "Circular Acoustic Vector-sensor Array for Mode Beamforming," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 57, no. 8, pp. 3041-3052, 2009.

32. H. Krim, M. Viberg, "Two decades of array signal processing research, the parametric approach," IEEE Signal Processing Magazine, pp. 67-94, July 1996.

33. X. Yang, G. Sun, M. Li, Q. Li. On investigation of the spatial correlations of the flow noise in the application of vector hydrophone towed linear array.

34. A. Abdi. Signal Correlation Modeling in Acoustic Vector Sensor Arrays. IEEE Transaction of signal processing, vol. 57, No.3, Mar. 2009.

35. K.B. Smith. Effects of shear waves on boundary-coupled vector sensors. J. acoust. Soc. Am., 124 (6), Dec. 2008.

36. Y.I. Wu, K.T. Wong, S.-K. Lau. The Acoustic Vector-Sensor's Near-Field Array-Manifold. IEEE Transaction of signal processing, vol. 58, No.7, Jul. 2010.

37. Щуров В.А. Векторная акустика океана. Владивосток: Дальнаука, 2003. 308 с.

38. Микро ЭВМ www.diamondsystems.com

39. Беспроводная точка доступа www.ubnt.com

40. «Wideband Source Localisation Using a Distributed Acoustic Vector-sensor Array» // IEEE Transactons on signal processing, vol. 51, no. 6, June 2003.

41. Ильичев В.И., Кулешов В.И., Куянова М.В., Щуров В.А. Взаимодействие потоков мощности подводных окружающих шумов и локального источника // Акуст. журн. 1991. Т. 37, № 1. С. 99-103.

42. Shchurov V.A., Ilyichev V.I., Kuleshov V.P., Kuyanova M.V. The interaction of energy flows of underwater ambient noise and local source // J. Acoust. Soc. Am. 1991. V. 90 (2), pt 1. P. 1002-1004.

43. Воробьев С. Д., Сизов В.И. Векторно-фазовая структура и векторно-фазовый метод описания и анализа случайных акустических полей // Акуст. журн. 1992. Т. 38, №4. С 654-659.

44. Bruce M. Abraham. Ambient noise measurements with vector acoustic hydrophones// Conf. Proc. IEEE 0ceans-2006 18-21 Sept. 2006. Boston, MA. ISBN: 1-4222-0115-1. DOI: 10.1109/0CEANS.2006.306989. 2007-02-12. P. 1-7.

45. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973. 495 с.

46. Гордиенко В.А., Ильичев В.И. Приемник потока акустической мощности: величина дисперсии и помехоустойчивость // Докл. РАН, 1994. Т.340, N 1. С.16 - 20.

47. Щуров В.А., Кулешов В.П., Ткаченко Е.С. Иванов Е.Н. Признаки компенсации встречных потоков энергии в акустических полях океана.// Акустический журнал, том 56, №6, 2010. - С. 835-843. ISSN 0320-7919.

48. Патент РФ №82972 Многоканальный цифровой комбинированный гидроакустический комплекс. Щуров В.А., Иванов Е.Н., Иванова Г.Ф. Опубликован 10.05.2009 Бюл. №13.

49. Патент РФ №106880 Подводный планер для мониторинга векторных акустических полей. Щуров В.А., Иванов Е.Н., Щеглов С.Г., Черкасов А.В. Опубликован 27.07.2011.

50. Иванов Е.Н., Щуров В.А. Цифровая система формирования диаграммы направленности комбинированной антенны. // Океанологические исследования: 18-22 мая 2009 г., Владивосток, Россия: тез. докл. / Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2009. - С.92-93. ISBN 978-5-7442-0724-3.

51. Иванов Е.Н. Многоканальная цифровая комбинированная акустическая многофункциональная антенна с оптоволоконной системой передачи информации. // Вестник Морского государственного университета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2008. вып.27/2008. С.44-54. ISBN 978-5-8343-0468-5.

52. Иванов Е.Н. Телеметрическая стационарная акустическая подводная измерительная система с дистанционным управлением. // Сборник докладов 56-й международной молодежной научно-технической конференции "Молодежь-наука-инновации", 26-27 ноября 2008 г. - С.162-166.

53. Иванов Е.Н., Иванов И. А. Разработка цифровой многоканальной приемной комбинированной акустической системы. // Океанологические исследования: 1923 мая 2008 г., Владивосток, Россия: тез. Докл. / Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2008. - С.115-117. ISBN 978-5-7442-1468-5.

54. Щуров В.А., Ткаченко Е.С. Иванов Е.Н., Иванов И.А. Взаимодействие потоков акустической энергии в океане. // Сборник трудов XX сессии РАО. Акустические измерения и стандартизация. Электроакустика. Ультразвук и ультразвуковые технологии. Атмосферная акустика. Акустика океана. Сборник трудов XX сессии Российского акустического общества. Т. 2. - М.: ГЕОС, 2008. - С.464.

55. Щуров В.А., Кулешов В.П., Ткаченко Е.С., Иванов Е.Н. Инфразвуковые потоки энергии в окружающем шуме океана. // Доклады XII научной школы-

семинара имени академика Л.М. Бреховских "Акустика океана", совмещенной с XXI сессией Российского акустического общества. М.: ГЕОС. 2009. - С.486.

56. И.А. Иванов, Е.Н. Иванов, Г.Ф. Иванова. Статистический совместный анализ скалярных и векторных характеристик акустических полей // Океанологические исследования: 18-22 мая 2009 г., Владивосток, Россия: тез. докл. / Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2009. - С.94-95. ISBN 978-5-7442-0724-3.

57. Иванов И.А., Иванов Е.Н., Иванова Г.Ф. Моделирование процессов рассеяния низкочастотного звука на взволнованной поверхности океана // Вестник Морского государственного универститета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2008. вып.27/2008. С.35-44. ISBN 978-5-8343-0468-5.

58. Иванов И.А., Иванов Е.Н., Иванова Г.Ф. Статистический совместный анализ скалярных и векторных характеристик акустических полей // Вестник Морского государственного университета. Сер. Автоматическое управление, математическое моделирование и информационные технологии. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2009. вып.28

59. Иванов И.А., Иванов Е.Н., Иванова Г.Ф. Корреляционная связь полей рассеяния низкочастотного звука и поверхностного волнения // Океанологические исследования. - Владивосток: ТОИ ДВО РАН, 2008. С. 117-118. ISBN 978-5-7442-1468-5.

60. Иванов Е.Н., Щеглов С.Г., Савостин С.В. Применение современных средств связи и обработки информации в задачах акустических исследований подводных шумов и сигналов полученных с помощью комбинированных приемных систем // Сборник докладов 58-й международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» 24-25 ноября 2010 г. Том 1, Владивосток: Мор. гос. ун-т 2011. - С.137-141. ISBN 978-5-8343-0649-8

61. Иванов Е.Н., Щеглов С.Г., Савостин С.В. Применение подводных летательных аппаратов в гидроакустике // Сборник докладов 58-й международной молодежнойнаучно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» 24-

25 ноября 2010 г. Том 1, Владивосток: Мор. гос. ун-т 2011. - С.131-134. ISBN 9785-8343-0649-8

62. Иванов Е.Н., Щеглов С.Г., Савостин С.В. Новейшие достижения в судостроении. Подводные летательные аппараты // Сборник докладов 58-й международной молодежной научно-технической конференции «Молодежь-наука-инновации» 24-25 ноября 2010 г. Том 1, Владивосток: Мор. гос. ун-т 2011. -С.134-137. ISBN 978-5-8343-0649-8.

63. D'Spain G.L, Hodgriss W.S. Edmonds G.L. Energetics of the deep ocean's infrasonic sound field// J. Acoust. Soc. Amer. 1991. Vol. 89, №3. P. 1134-1158.

64. Щуров В.А., Кулешов В.П., Черкасов А.В. Вихревые свойства вектора акустической интенсивности в мелком море. // Акуст. журн. 2011. Т.57, №6. С. 837-843.

65. Щуров В.А., Черкасов А.В., Касаткин Б.А., Злобина Н.В., Касаткин С.Б. Аномальные особенности структуры поля вектора интенсивности в акустических волноводах. // Подводные исследования и робототехника. Владивосток: Дальнаука. 2011. №2 (12). С. 4-17.

66. Красовский П., Цыганков С., Теверовский Г. Проблемы измерения гидроакустических характеристик морских объектов. / Военно-морской салон. С-Петербург. 2011. С. 20-24.

67. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1957. 501 с.

68. Чупров С.Д. Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане// Акустика океана/ под ред. Л.М .Бреховских. М. :Наука, 1982. С. 71-91.