Многоцелевой эхолот-гидролокатор: решение задач съёмки рельефа, поиска и классификации в прибрежной зоне тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат технических наук Колосов, Кирилл Владимирович

• Колосов, Кирилл Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Колосов, Кирилл Владимирович

Введение.

Глава 1. Гидролокационные системы надводных кораблей.

1.1 Основные классы гидролокационных устройств.

1.2 Базовые принципы обработки данных.

1.3 Постановка задачи работы.

Глава 2. Принципы проектирования многоцелевого эхолотагидролокатора. Особенности конструкции.

2.1 Общие принципы проектирования изделия.

2.2 Особенности конструкции антенного блока.

2.3 Особенности конструкции электронного блока.

Глава 3. Алгоритмы управления и обработки данных.

3.1 Особенности алгоритма управления изделием.

3.2 Алгоритмы обработки эхо-сигнала. Метод Прони.

3.3 Алгоритмы постобработки.

Глава 4. Технические характеристики многоцелевого эхолотагидролокатора.

4.1 Исходные данные для расчётов и моделирования.

4.2 Результаты моделирования.

4.3 Режимы функционирования изделия.

Глава 5. Результаты стендовых и натурных испытаний.

5.1 Условия и методики проведения испытаний.

5.2 Испытания изделия в гидробассейне.

5.3 Натурные испытания. Съёмка рельефа.

5.4 Натурные испытания. Поиск и классификация.

5.5 Автокомпенсация систематических погрешностей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоцелевой эхолот-гидролокатор: решение задач съёмки рельефа, поиска и классификации в прибрежной зоне»

Бурное развитие электроники во второй половине XX века обусловило её определяющее влияние на все области науки и техники. В этом смысле, гидроакустика не является исключением. Если 30-50 лет назад функциональные возможности электрорадиоизделий (ЭРИ) во многом определяли облик гидроакустической аппаратуры в целом, то в настоящее время ситуация совершенно иная. На основе современных ЭРИ можно создавать компактные высоконадёжные многоканальные гидроакустические системы (ГАС) на основе фазированных антенных решёток, причём возможности ГАС лимитируются в основном конструктивными особенностями антенн, параметрами гидроакустических преобразователей, возможностями кабельной сети и другими факторами, не связанными с параметрами ЭРИ; могут быть реализованы практически любые алгоритмы управления и обработки данных, поскольку на несколько порядков выросли возможности вычислительных устройств [2, 3, 5, 6].

На современном рынке гидролокационного оборудования надводных кораблей (НК) по-прежнему наиболее широко представлены традиционные устройства — однолучевые эхолоты различного назначения (ОЭ), многолучевые эхолоты (МЛЭ), гидролокаторы бокового обзора (ГБО). Такое разделение сложилось ещё в середине XX в., когда возможности электроники не позволяли создавать многофункциональные устройства с приемлемым соотношением цена/качество. Эта ситуация сохраняется и поныне, несмотря на то, что и ОЭ, и МЛЭ, и ГБО часто используются для решения одних и тех же задач (например, для съёмки рельефа морского дна) [8,27, 37].

ОЭ являются самыми недорогими из обозначенных типов устройств; поэтому они широко распространены и имеют высокий уровень продаж не только в России, но и за рубежом. Средняя цена импортного ОЭ в России составляет 300-400 тыс. руб. Цена МЛЭ и ГБО на порядок выше. По всей видимости, этим и определяется их относительно слабое (по сравнению с ОЭ) распространение.

Основной круг задач, решаемых гидролокационным оборудованием НК, связан с прибрежной зоной (с глубинами до 500 м). Это поисковые, исследовательские, промерные, промысловые и другие задачи. Все перечисленные задачи сводятся к проблемам обнаружения, пеленгации и идентификации линии дна, а также различных объектов под водой [38, 43, 45]. Методы решения задач ОЭ, МЛЭ и ГБО различны. ОЭ определяет дистанцию до дна или подводного объекта вдоль одной оси (луча), как правило, ориентированной вертикально вниз. МЛЭ определяет дистанции вдоль множества лучей, расположенных равномерно в угловом секторе 90°-150°. Сектор ориентируют вниз и располагают в плоскости шпангоутов (поперёк направления движения НК). ГБО формирует светотеневую эхо-картину морского дна в секторе до 180°, за исключением подкилевой области [8].

В процессе своего развития в конце XX века возможности ОЭ, МЛЭ и ГБО значительно возросли и стали значительно пересекаться. Так, ОЭ объединяют в группы по 5-20 и более единиц и создают многоканальные эхолоты (МКЭ), МЛЭ оснащают функцией формирования светотеневой картины, современные ГБО обладают возможностью оценки направления на объект. Также нельзя не отметить стремление некоторых разработчиков к комплексированию, т.е. к совместному применению ОЭ, МЛЭ и ГБО в различных сочетаниях для решения определённых задач [40, 41, 42].

Анализируя функциональные возможности различных классов гидроакустических устройств, можно обнаружить значительный разрыв между сравнительно дешёвыми однолучевыми эхолотами и сложными системами на основе многолучевых эхолотов, т.е. в продукции ведущих производителей гидроакустического оборудования не представлен «средний класс» устройств, который в функциональном и ценовом плане занимал бы промежуточное положение между однолучевыми и многолучевыми эхолотами [36].

Более того, по всей видимости, мы можем говорить об объективной потребности в гидроакустическом устройстве, базирующемся на новых принципах и объединяющем функции и возможности ОЭ, МЛЭ и ГБО для решения задач в прибрежной зоне. Необходимым условием широкого применения устройства нового типа является приемлемое соотношение цена/качество. По оценкам автора, для обеспечения устойчивого спроса цена устройства при мелкосерийном производстве должна превышать цену ОЭ не более чем в три-четыре раза.

Целью настоящей работы является разработка и исследование возможностей многоцелевого эхолота-гидролокатора — компактного гидроакустического устройства нового типа для надводных кораблей на основе фазированной антенной решётки, сочетающего в себе возможности основных типов гидроакустического оборудования судов: промерного (однолучевого) эхолота, многолучевого эхолота и гидролокатора бокового обзора.

Для достижения поставленной цели автором использован ряд методов исследований:

1. Анализ современного уровня техники в части гидролокационного оборудования надводных кораблей (однолучевых эхолотов, многолучевых эхолотов, гидролокаторов бокового обзора).

2. Синтез конструктивных, системных, технико-экономических и других требований к многоцелевому эхолоту-гидролокатору.

3. Моделирование работы изделия, расчёт параметров.

4. Экспериментальное изучение опытного образца многолучевого эхолота-гидролокатора на стендах и в натурных условиях.

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что:

1. Разработан и исследован многоцелевой эхолот-гидролокатор, обеспечивающий решение задач съёмки рельефа, поиска и классификации и сочетающий в себе возможности традиционных типов устройств — ОЭ, МЛЭ и ГБО.

2. Разработаны алгоритмы работы МЭГ на основе методов спектрального анализа с повышенной разрешающей способностью, позволяющие обеспечить высокую точность пеленгования в условиях ограниченной апертуры антенны МЭГ.

3. Разработаны программно-алгоритмические решения, позволяющие реализовать в МЭГ функции ОЭ, МЛЭ и ГБО.

4. Разработаны и реализованы алгоритмы постобработки, компенсирующие систематические погрешности при автономном применении устройства.

5. Разработана малогабаритная приёмоизлучающая фазированная антенная решётка, обеспечивающая решение задач МЭГ в двух частотных диапазонах.

6. Разработана управляющая электроника, генерирующая импульсы излучения для двух частотных диапазонов и осуществляющая усиление, фильтрацию и цифровую обработку эхо-сигналов.

7. Проведено экспериментальное исследование многоцелевого эхолота-гидролокатора в стендовых и натурных условиях в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены особенности основных классов гидроакустических устройств надводных кораблей — однолучевого эхолота, многолучевого эхолота, и гидролокатора бокового обзора; проведён сравнительный анализ некоторых зарубежных и отечественных образцов; представлен обзор современных методов обработки гидролокационных сигналов, в том числе методов с высокой разрешающей способностью. На основе проведённого анализа сформулированы основные задачи работы.

Вторая глава посвящена обсуждению базовых принципов проектирования многоцелевого эхолота-гидролокатора, как устройства, предназначенного для широкого применения на надводных кораблях, а также описанию особенностей конструкции основных блоков изделия — антенного блока и электронного блока.

В третьей главе описаны алгоритмы, реализованные в программном обеспечении изделия. Особое внимание уделено алгоритму обработки данных, в частности, методу Прони, позволяющему реализовать повышенное угловое разрешение при ограниченной приёмной апертуре антенной решётки. В главе также представлены алгоритмы постобработки, реализующие возможности изделия в части компенсации систематических погрешностей.

В четвёртой главе изложены исходные данные для расчёта и прогнозирования основных технических характеристик изделия, методики расчёта и моделирования, а также результаты моделирования; приведено описание функционирования изделия в различных режимах.

В пятой главе описаны методики испытаний опытного образца МЭГ; приведены результаты испытаний изделия в гидроакустическом бассейне, а также в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.

Основные результаты работы опубликованы в периодических изданиях, обсуждались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах (Москва 2000 г., 2001 г., 2002 г.; Санкт-Петербург, 2000 и 2006 г; Бристоль 2000 г. ), а также на семинарах в Московском Государственном университете и Московском инженерно-физическом институте.

Заключение диссертации по теме «Акустика», Колосов, Кирилл Владимирович

Основные результаты диссертационной работы внедрены в производство и реализованы в следующих изделиях:

1. Многоцелевой эхолот Р-161. Головной разработчик — ЗАО «НТП «Реаконт».

2. Бортовой комплекс сбора и обработки навигационной и гидрографической информации с многолучевым эхолотом «Мускат-01Б» ПНБИ.462531.001 ТУ. Головной разработчик — ЗАО «Гирооптика»

3. Поисково-обследовательский комплекс «Кальмар» ВШАЕ.361192.001 ТУ. Головной разработчик — ООО «ТЕТИС-ПРО»

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований был разработан многоцелевой эхолот-гидролокатор, сочетающий в себе возможности различных типов устройств — однолучевого эхолота, многолучевого эхолота и гидролокатора бокового обзора.

На основе методов обработки сигналов с повышенной разрешающей способностью разработаны алгоритмы, обеспечивающие высокую точность пеленгования в условиях ограниченной апертуры антенны изделия. В постобработке реализованы алгоритмы компенсации качки и уточнения значения скорости звука в воде на уровне антенны.

На основе представленных алгоритмов разработано программное обеспечение, позволяющее использовать многоцелевой эхолот-гидролокатор в режимах однолучевого эхолота, многолучевого эхолота и гидролокатора бокового обзора.

Разработаны приёмоизлучающая фазированная антенная решётка и электронный блок управления и обработки данных для многоцелевого эхолота-гидролокатора, обеспечивающие генерирование импульсов излучения в двух частотных диапазонах, усиление, фильтрацию и цифровую обработку эхо-сигналов.

Основные характеристики многоцелевого эхолота-гидролокатора подтверждены стендовыми испытаниями в гидробассейне, а также ходовыми испытаниями (автономными и в составе гидрографического комплекса) в акваториях Северного, Балтийского и Чёрного морей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Колосов, Кирилл Владимирович, 2006 год

1. Монзинго P.A., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решётки: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1986.— 448 с.

2. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: Пер. с англ. — М.: Машиностроение, 1986.— 448 с.

3. Френке JI. Теория сигналов: Пер. с англ. — М.: Советское радио, 1974.—344 с.

4. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции: В 3 т.: Пер. с англ. — М.: Советское радио, 1972.

5. Применение цифровой обработки сигналов. Под ред. Э.Оппенгейма: Пер. с англ. — М.: Мир, 1980 — 552 с.

6. Моисеев B.C. Системное проектирование преобразователей информации.— Л.: Машиностроение, 1982.— 256 с.

7. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики: Пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1978.—450 с.

8. Справочник по гидроакустике. Евтютов А.П., Колесников А.Е., Ляликов А.П. и др. — Л.: Судостроение, 1982.— 344 с.

9. Смарышев М.Д. Направленность гидроакустических антенн.— Л.: Судостроение, 1973. — 280 с.

10. Таранов Э.С., Тюрин A.M., Сташкевич А.П. Гидроакустические измерения в океанологии.— Л.: Гидрометеоиздат, 1972. — 328 с.

11. Лихарев В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации.— М.: Советское радио, 1973.— 456 с.

12. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех.— М.: Советское радио, 1973.— 456 с.

13. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники: В 3 т. — М.: Советское радио, 1966.— Т.1.— 752 с.

14. Сверхбольшие интегральные схемы и современная обработка сигналов. Под ред. С.Гуна: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1989.— 472 с.

15. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. Теория и применение: Пер. с англ. — М.: Советское радио, 1971.— 568 с.

16. Стенин В.Я. Электронные системы с дискретизацией сигнала: В 2 ч. — М.:МИФИ, 1994.

17. Аверьянов Г.П., Рошаль A.C. Элементы информатики. — M.: МИФИ,1995.

18. Подводная акустика и обработка сигналов. Под ред. Л.Бьёрнё: Пер. с англ. — М.: Мир. — 1985. — 488 с.

19. Римский-Корсаков A.B. Электроакустическая аппаратура. — М.: Московский горный институт, 1968. — 294 с.20IHO Standards For Hydrographie Surveys.— Monaco: International Hydrographie Bureau. 1998.— № 44.

20. Подводные технологии. Каталог продукции ЦНИИ «Морфизприбор». — Санкт-Петербург, 2000 — 62 с.

21. Малогабаритный гидроакустический комплекс для мелководья. Проспект КБ «Вектор». — Таганрог, 2000 .

22. Каталог продукции фирмы «MARIMATECH A/S». — Орхус, Дания, 2002 — CD.

23. Каталог продукции фирмы «RESON A/S». — Копенгаген, Дания, 2004 —CD.

24. SeaBat 8111. Multibeam Echosounder System. Operator's manual. Version 3.00, Copenhagen, Denmark, 2003 — CD.

25. Навигационный эхолот типа «НЭЛ-20К». Технические условия ПЭ1.513.001ТУ.

26. Колосов К.В. Электронные системы гидроакустики // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов.— М. : МИФИ, 2000. — С.132-134.

27. Колосов K.B. Малый многоцелевой эхолот-гидролокатор. Решение задач в прибрежной зоне моря.// 8-я межд. конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Сборник трудов. — СПб., «Наука», 2006. —С.131-135.

28. Колосов К.В., Плешко А.Д. Приёмо-передающее устройство многолучевого эхолота // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов — М. : МИФИ, 2002. — С. 151 -154.

29. Dmitriev О., Kolosov К., Prudnikova I. Methods Of Multibeam Echosounders Resolution Increasing.// Proceedings of 25th International Acoustical Imaging Symposium, 2000, Bristol, Great Britain.— p.235-240.

30. Быковский Ю.А., Колосов К.В., Зуев В.В., и др. Определение рекомбинационных параметров полупроводникового материала с помощью метода Прони.// Журнал технической физики, 1999, 69-4, С.54-59.

31. Alais P., Cervenka P., Challande P., and others. Two Underwater Examples Of Imaging By Multi-Look Synthesis.// Proceedings of 25th International Acoustical Imaging Symposium, 2000, Bristol, Great Britain.— p.217-224.

32. Aoki Y., Iida K., Mukai T., and others. A Satellite Laboratory For Acoustical Imaging Using A Communications Satellite.// Proceedings of 25th International Acoustical Imaging Symposium, 2000, Bristol, Great Britain.— p.241-246.

33. Nielsen E.B. Will Multibeam Echo Sounders Take Over? // Hydro International. 2000 — №3.— p.67-70.

34. Cowls S., Fogg B. A Comparison of Acoustic Imagery of Sea Floor Features Using a Towed Side Scan Sonar and a Multibeam Echosounder. // Survey, Geophysical, Underwater Newslatter. 2002.— №93.

35. Смирнов С.А. Гидроакустические технологии в борьбе с морскими минами// 5-я межд. конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Сборник трудов. — СПб., ФГУП «ЦНИИ «Морфизприбор», 2000. —С.7-9.

36. Лисс А.Р., Рыжиков А.В. Структурное построение цифровых вычислительных комплексов ГАК и ГАС// 5-я межд. конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Сборник трудов. — СПб., ФГУП «ЦНИИ «Морфизприбор», 2000. — С.49-54.

37. Войтов А.А., Каевицер В.И., Селезнёв И.А., Смирнов С.А. Комплекс гидроакустических средств мониторинга морского дна «Карта» // 8-я межд. конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Сборник трудов. — СПб., «Наука», 2006. — С.56-64.

38. Белов Б.П., Шангин К.Ю. Адаптивная антенна гидролокатора с компенсацией бокового поля. // 8-я межд. конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». Сборник трудов. — СПб., «Наука», 2006. —С. 187-190.

39. Дмитриев О.В., Першиков В.А., Плешко А.Д., Тутов C.B. Современные приёмо-передающие устройства гидролокаторов. // Научно-техническая конференция по проблемам гидроакустики. Сборник трудов. — М., ЦАГИ, 2001.—С. 10-19.

40. Буров В.А., Касаткина Е.Е., Морозов С.А. Задача синтеза диаграмм направленности как многоцелевая вариационная задача. // Научно-техническая конференция по проблемам гидроакустики. Сборник трудов. — М., ЦАГИ, 2001.—С.49-53.

41. Алюшин М.В., Колосов К.В. Базовый комплект модулей для создания бортовых вычислителей гидроакустических систем с изменяемой архитектурой.// Научно-техническая конференция по проблемам гидроакустики. Сборник трудов. — М., ЦАГИ, 2001.— С.61-66.

42. Берг Дж.П., Люнбергер Д.Г., Венгер Д.Л. Оценивание ковариационных матриц с заданной структурой. // ТИИЭР, 1982, 70-9, С.63-77.

43. Тафте Д.У., Кумаресан Р. Оценивание частот суммы нескольких синусоид: Модификация метода линейного предсказания, сравнимая по эффективности с методом максимального правдоподобия. // ТИИЭР, 1982, 70-9, С.77-94.

44. Джонсон Д.Х. Применение методов спектрального оценивания к задачам определения угловых координат источников излучения. // ТИИЭР, 1982, 70-9, С. 126-138.