Смещение оценок угловых координат в гидролокаторе подводного аппарата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.06, кандидат технических наук Нгуен Ча Лам

• Нгуен Ча Лам
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуен Ча Лам

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ГИДРОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1.1. Условия работы.

1.1.1. Шумы и помехи.

1.1.2. Гидроакустические характеристики морской среды.

1.2. Влияние условий работы на показатели гидролокационных систем.

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ ВХОДНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ШУМОВЫХ ПОМЕХ НА ГИДРОЛОКАТОР ПОДВОДНОГО АППАРАТА.

2.1. Модель поля шума обтекания.

2.2. Пространственно-временная корреляционная функция шума обтекания на рабочей поверхности антенны.

2.3. Пространственно-временная корреляционная функция шума обтекания на выходах элементов плоской антенны.

2.4. Корреляция турбулентных помех на выходах элементов.

2.5. Корреляция помех ближнего поля на выходах пространственных каналов антенны.

2.6. Результаты расчета взаимной корреляции турбулентных помех на выходах каналов.

2.7. Модель шума движителя на рабочей поверхности антенны

2.7.1. Пространственно-временная корреляционная функция шума движителя на рабочей поверхности антенны.

2.7.2. Корреляция помех, возникших в результате рассеяния шума подводного аппарата границами среды.

2.8. Результаты расчета взаимной корреляции рассеянных помех в каналах.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИ ВХОДНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ОТРАЖЕННЫХ ГРАНИЦАМИ СРЕДЫ СИГНАЛОВ И РЕВЕРБЕРАЦИИ.

3.1. Пространственно-временная корреляционная функция полезных сигналов на выходах пространственных каналов антенны.

3.1.1. Пассивный режим.

3.1.2. Результаты расчета отраженных сигналов в пассивном режиме.

3.1.3. Активный режим.

3.1.4. Результаты расчета отраженных сигналов в активном режиме.

3.2. Пространственно-временная корреляция реверберационных-помех на выходах пространственных каналов антенны.

3.2.1. Поверхностная и донная реверберация.

3.2.2. Объемная реверберация.

3.2.3. Результаты расчета реверберационных помех.

ГЛАВА 4. ОШИБКИ УГЛОМЕРНЫХ СИСТЕМ, ВЫЗВАННЫЕ ПОМЕХАМИ.

4.1. Типовые структуры устройств для оценки угловых координат.

4.2. Ошибки смещения в угломерном устройстве.

4.2.1. Пассивный режим.

4.3.2. Активный режим.

4.3. Расчет и анализ ошибок смещения.

4.3.1. Пассивный режим.

4.3.2. Активный режим.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Смещение оценок угловых координат в гидролокаторе подводного аппарата»

Выполнение подводными аппаратами различного назначения поставленных задач в морской среде, как правило, происходит с использованием гидроакустической информации о окружающей среде и объектах в ней. Обследование среды и обработка информации о среде производится гидроакустическими системами, которые могут работать в активном и пассивном режимах. Работа гидроакустических информационных систем, или гидролокаторов, происходит в условиях воздействия акустических помех. Помехи создаются различными источниками, вследствие чего обладают различными свойствами.

В общем случае состав помех: ходовые помехи, обусловленные движением подводного аппарата и не связанные с излучаемым сигналом, ревербера-ционные помехи, обусловленные рассеянием зондирующего сигнала неодно-родностями и границами среды, шум окружающей морской среды, шум технических средств, работающих в районе действия подводного аппарата [5,7,9,13,15,23,30,33,36]. К помехам можно отнести и воздействия отраженных и рассеянных границами среды акустических волн полезных сигналов, поскольку направления их прихода к антенне гидролокатора отличаются от истинного направления на объект поиска и наблюдения.

Подводный аппарат в процессе работы маневрирует в морской среде, при этом изменяется расстояние до границ среды и ориентация аппарата и антенны в пространстве. Это движение приводит к изменению параметров помех.

Действие помех искажает информацию о положении объекта поиска, в том числе оценки угловых координат объекта [5,9,11,12,13,31,36]. Искажающее действие помех вследствие различной их коррелированности в пространственных каналах антенны изменяется при изменении энергетических соотношений компонент помех друг с другом и с полезным сигналом. Искажение информации приводит к пропускам (необнаружению) полезного сигнала, ошибкам в определении координат и элементов движения объектов поиска и нарушениям в работе подводного аппарата. при использовании и разработке гидролокаторов подводных аппаратов обычно решается задача определения ошибок методами расчета или имитационного моделирования. Для прогнозирования ошибок необходимо знать их связь с условиями применения гидролокатора подводного аппарата. В научно- технической литературе подробно исследованы и описаны случайные флуктуационные ошибки угломерных систем, чаще всего при статистической независимости помех в каналах антенны, оцениваемые через отношение сигнал/помеха [9,11,13,15].

Действие коррелированных помех приводит не только к флуктуационным ошибкам, но и к ошибкам смещения оценки координаты относительно истинной величины, применительно к подводным аппаратам которые исследованы недостаточно. Поэтому исследование спектральных и корреляционных характеристик помех в зависимости от условий работы гидролокатора и определение на этой основе ошибок смещения угловых координат является актуальным.

Цель работы: определение ошибок смещения угловых координат объектов гидролокатором подводного аппарата и зависимости ошибок от условий работы. К условиям относятся положение и ориентация антенны подводного аппарата в слое воды, направленные свойства антенны, акустические свойства морской воды и границ среды.

Цель достигается решением следующих частных задач:

1.Построение математических моделей для расчета пространственной корреляции составляющих помех на выходах каналов антенны.

2,Определенин численных значений пространственной корреляции поме-ховых воздействий на выходах каналов антенны и её изменения в зависимости от условий работы.

3.Определение численных значений ошибок смещения оценок угловых координат и их зависимости от условий работы.

Работа состоит из четырех глав, введения и заключения. В главе 1 рассмотрены условия работы гидролокационных систем и существующие в научно-технической литературе представления об источниках ошибок угломерных систем и помехах, вызывающих ошибки. Установлено, что основное внимание уделяется случайным флуктуационным ошибкам, тогда как смещение оценок практически не рассматривается [9,11,13,15,36]. Эти обстоятельства послужили основанием для формулировки задач диссертационной работы. В последующих главах рассматриваются различные составляющие помех, действующих на антенну подводного аппарата.

Глава 2 посвящена построению и анализу моделей естественных ходовых помех, связанных с движением подводного аппарата. Рассматриваются процессы формирования в раскрыве плоской антенной решетки ближних полей шума турбулентного обтекания носовой части аппарата и шума движителя аппарата. С использованием известных решений дифракции звука на поглощающем клине и цилиндре обосновываются соотношения для вычисления взаимной корреляции помех на выходах элементов решетки и на выходах формированных на подрешетках пространственных каналов антенны.

Рассмотрен прием пространственными каналами антенны шума движителя, рассеянного границами среды. В решении использованы известные данные по обратному рассеянию звука границами среды [1,2,3,4,10,22,33] и комплексные представления характеристик направленности [6,29] с учетом углов крена и дифферента аппарата. Обоснованы соотношения для вычисления взаимной корреляции рассеянных помех на выходах каналов антенны.

Для проверки правильности полученных соотношений проведен численный эксперимент, результаты которого не противоречат физическим представлениям о формировании помех и позволяют принять модель источника турбулентной помехи в виде шумящей окружности с диаметром, практически совпадающим с диаметром носового ребра корпуса аппарата. В расчетах приняты типичная антенная решетка подводного аппарата и рабочая частота локатора.

В главе 3 рассмотрены естественные помехи, связанные с принимаемым сигналом в пассивном и активном режимах и с излучаемым зондирующим сигналом в активном режиме. Отраженные и рассеянные границами сигналы объекта локации в данном случае, в отличие от задачи обнаружения, рассматриваются как помехи, т .к. они приходят с направлений, отличных от направления истинного сигнала. Получены с использованием известного решения задачи [2,8,14] о рассеянии звука крупными неровностями морской поверхности соотношения для вычисления взаимной корреляции на выходах направленных пространственных каналов антенны с учетом ориентации в пространстве подводного аппарата и углублений источника шумового сигнала и антенны.

Аналогичная задача решена для импульсного сигнала активного режима, в которой взаимная корреляция вычисляется в зависимости от момента времени от начала отраженного поверхностью сигнала, с которым связан размер рассеивающей области, формирующей к данному моменту отраженный (рассеянный) поверхности процесс на выходе антенны.

Приведены результаты численного эксперимента, позволяющие утверждать, что эффективно рассеивающая область имеет относительно небольшой угловой размер, что приводит к высокой корреляции рассеянного поверхностью процесса. Также получено значение кажущего угла прихода рассеянных волн с учетом пространственной избирательности. Рассмотрено и количественно оценено влияние крена и дифферента на корреляцию данного вида помех, применительно к пеленгованию объекта в двух плоскостях.

Реверберационные помехи рассмотрены отдельно по видам реверберации и получены соотношения для спектров и корреляции помех с учетом скорости движения, углубления и ориентации подводного аппарата, характеристик направленности приемных каналов антенны и излучателя. Выполнен численный эксперимент, позволяющий оценить степень коррелированности помех на выходах каналов антенны и кажущиеся направления прихода всех трех компонент реверберации по циклу активного локатора с учетом углов крена и дифферента.

В главе 4 приведена типовая структура гидролокатора подводного аппарата, измеряющего две угловые координаты объекта локации и в терминах описания помех в главах 2 и 3 получены выражения для вычисления смещения оценок угловых координат, учитывающие весь набор позиционных параметров аппарата и технические характеристики антенного устройства. Выполнен для выбранных вариантов условий численный эксперимент, позволивший получить оценки ошибок смещения и их зависимость от взаимного положения аппарата и объекта локации, углов крена и дифферента. Результаты подтверждают работоспособность предложенных соотношений и не противоречат физической сущности процессов, влияющих на формирование помех в задаваемых условиях.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Работа содержит 100 листов теста, 50 листов иллюстраций и список литературы.

Заключение диссертации по теме «Акустика», Нгуен Ча Лам

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные задачи решены и получены следующие основные результаты:

1. Разработана математическая модель формирования поля шума обтекания на рабочей поверхности плоской носовой антенны подводного аппарата в виде окружности источников шума, дифрагирующего на передней части корпуса. Применительно к этой модели получены соотношения для расчета пространственно- временных взаимных корреляционных функций шума на выходах элементов и каналов антенны. Расчетами подтверждена работоспособность модели. Расчетная корреляция согласуется с результатами экспериментов.

2. Разработана математическая модель для расчета взаимных корреляционных функций помех на выходах каналов антенны, вызванных шумом движителя подводного аппарата, рассеянным границами среды, как решение задачи приема направленными каналами антенны рассеянной плоскими границами шума с заданием угловой зависимости коэффициента обратного рассеяния и ориентации подводного аппарата. Расчетами подтверждена работоспособность модели. Показана высокая корреляция помех и её соответствие направлениям в сторону поверхности и дна, отличных от вертикального направления.

3. Разработана математическая модель для расчета взаимной корреляционной функции шумовых сигналов точечного источника шума на выходах направленных каналов антенны при рассеянии сигнала взволнованной поверхностью моря с использованием угловых зависимостей коэффициентов рассеяния крупными неровностями поверхности и с учетом движения и ориентации подводного аппарата и взаиморасположения аппарата и источника сигнала для случаев активной и пассивной гидролокации. Работоспособность моделей подтверждена расчетами. Показано отличие фазового сдвига от сдвига истинного сигнала и отраженного плоскостью сигнала.

4. Разработана модель для расчета взаимной корреляции на выходах каналов антенны трех составляющих реверберации с использованием данных по обратному рассеянию звука границами и с учетом движения, положения и ориентации подводного аппарата. Работоспособность подтверждена расчетами. Получены зависимости характеристик ревербераций от угловых положений подводного аппарата и взаиморасположения между областью рассеяния и подводным аппаратом. Показана высокая корреляция всех видов ре-верберационых помех и изменения разности фаз составляющих реверберации при изменении ориентации подводного аппарата и свойств границ.

5. Получены соотношения для расчета смещения оценок угловых координат объекта локации в пассивном и активном режимах, применительно к типовой структуре пеленгатора, с учетом всех составляющих помех и выполнен численный эксперимент, установивший влияние крена, дифферента, состояния поверхности и действия всей совокупности помех для гидролокатора с ориентацией характеристик направленности антенны вдоль оси подводного аппарата.

Установлено существенное влияние на ошибки определения угла места объекта, крена, дифферента и расположения, а так же соотношения сигнала с другими помехами. Зависимости ошибок определения угла азимута и влияния на них различных факторов, имеют сложный характер.

6. Полученные численные данные могут использоваться как справочные. Новые данные могут быть получены по полученным формулам с использованием имеющегося программного обеспечения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуен Ча Лам, 2004 год

1. Акустика дна океана: Пер. с англ. Под ред. У.Купермана. М.: Мир, 1984, 454с.

2. Акустика океана. Под ред.Л.М.Бреховских.М.: наука, 1974,693 с.

3. Акустика океана: Современное состояние. Под ред. Л.М.Бреховских, И.Б. Андреева, М.: Наука, 1982.248с.

4. Андреева И.Б. Физические основы распространения звука в океане. Л.:Гидрометеоиздат, 1975. 190 с.

5. Белов Б.П и др. Модель процесса функционирования морского робото-технического комплекса. СПбГМТУ,2004.178с.

6. Белов Б.П., Шагин К.Ю. и др. Система автоматизированного проектирования гидроакустических антенн " CAD-A". СПбГМТУ. Электр.уч.пособ.1977 г.78с.

7. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е.Акустические шумы и помехи на судах. Л.Судостроение, 1983. 192 с.

8. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П.Теоретические основы акустики океана Л.:Гидрометеоиздат, 1987. 264 с.

9. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Пер. с англ.Л.: Судостроение, 1988. 391с.

10. Воловов В.И. Отражение звука от дна океана. М.: Наука, 1993.270с.

11. Гусев В.Г. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.Судостроение, 1988. 264 с.

12. Евтютов А.П.,Митько В.Б.Инженерные расчеты в гидроакустике.2-е изд. Л.Судостроение, 1988. 288 с.

13. Зуфрин A.M. Методы построение судовых автоматических угломерных систем. Л.Судостроение, 1970. 404 с.

14. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография: Пер. с анг.Под.ред.Ю.Ю.Житковского.М.:Мир,1980.533с.

15. Колчеданцев А.С.Гидроакустические станции. Л.: Судостроение, 1982. 248 с.

16. Красильникова Т.Н. О рассеянии аэродинамического шума твердыми и мягкими поверхностями. Акустический журнал. Т.ХХИ.в 6.1976.

17. Крон Б., Шерман Ч. Некоторые проблемы обнаружения сигнала, маскируемого флюктуационной помехой.Сб.статей.М.-.сов.радио, 1965.114-128с.

18. Миддтон Д. Случайные доплеровские эффекты, обусловленные движением рассеивателей и платформ. Тр. семинара 2.й семинар " Акуст.стат. модели океана." М. АКИН АН СССР, 1979.9-37с.

19. Миниович И.Я.,Перник А.Д., Петровский B.C. Гидродинамические источники звука. Л.Судостроение, 1972.480 с.

20. Мхитаров Р.А. Излучение звука прямоугольной пластиной под действием пульсаций давления в турбулентном пограничном слое. Акустический журнал. Т.19,в 4.1973.

21. Ольшевский В.В.Статистические методы в гидролокации.2-е изд.Л.Судостроение, 1983.280с.

22. Ольшевский В.В.Статистические свойства морской реверберации. М.:1. Наука, 1966.202с.

23. Орлов Л.В., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. Л.Судостроение, 1987. 224 с.

24. Паперно А.И. Исследование спектральных характеристик реверберации при движении акустических антенн.Тр. 1-й Всесоюзн.шк-семинара по стат. гидроакустике. Новосибирск: Наука, 1970.39-42с.

25. Пестряков В.Б.Фазовые радиотехнические системы. Основы статистической теории. М.:сов.радио, 1968.466с.

26. Рытов С.М. Введение в статистическую радиофизику. T-I.ll. М.: Наука,1978.

27. Свердлин Г.М.Прикладная гидроакустика. Л.Судостроение, 1974. 279 с.

28. Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антен-ныСправочник. Л.Судостроение, 1984. 304 с.

29. Смольяков А.В. Шум турбулентного пограничного слоя на гладкой и шероховатой пластине при малых числах Маха. Акустический журнал. Т.47,в-2.2001.264-272C.

30. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988. 552 с.

31. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.:сов.радио, 1966.677с.

32. Ткаченко В.М. Влияние форм носовых обводов тела вращения на характеристики ламинарного пограничного слоя в точке потери устойчивости. Труды ЦНИИ имени Крылова А.Н. 1965.

33. Урик Р.Д.Основы гидроакустики: пер. с англ. Л.Судостроение, 1978. 445 с.

34. Шендеров Е.Л. Волновые задачи гидроакустики. Л.: Судостроение, 1972. 348 с.

35. Шендеров Е.Л. Излучение и рассеяние звука. Л.: Судостроение, 1989. 301 с.

36. Яковлев А.Н., Каблов Г.П. Гидролокатор ближнего действия. Л.Судостроение, 1983. 200 с.

37. Lauchle G. Noise generated by axisymmetric turbulent boundary layer flow, JASA, v61, N3,1971,p.624-703.

38. Lauchle G.On radiated noise due to boundary-layer transition, JASA, v 67, N8,1980,p.158-168.

39. Lauchle G. Transition noise- the role of fluctuating displacement thickness, JASA, v 69, N3,1981 ,p.665-675.

40. Skudrzyk E.J.,Haddee G.P.The Phusics of flow noise, JASA, v 46, N1,1969.

41. Vecchio E.A, Wiley C.A. Noise radiated from a turbulent boundary layer,JASA, v 53, N2,1973,p.596-601.

42. Wenz G. Acoustical ambient noise in the ocean: spectra and sources. JASA, 1962.V.34, N12,p.1936-1956 c.