Исследование и разработка моделей акустических сигналов и помех для создания имитаторов гидроакустических рыбопоисковых приборов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ ИМИТАТОРОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ РЫБОПОИСКОВЫХ ПРИБОРОВ (ОБЗОР).

2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ (ИМИТАЦИЯ) СИГНАЛА, ПРИНИМАЕМОГО

АНТЕННОЙ РЫБОПОИСКОВОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРИБОРА,

В ВИДЕ СУММЫ НЕЗАВИСИМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТ . . 17 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТ СИГНАЛОВ, ПРИНИМАЕМЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИМИ РЫБОПОИСКОВЫМИ ПРИБОРАМИ.

3.1. Анализ совокупности компонент сигналов, принимаемых гидроакустическими рыбопоисковыми приборами.

3.2. Математические модели эхо-сигналов от промысловых объектов и эталонных целей.

3.2.1. Эхо-сигнал от искусственной эталонной цели.

3.2.2. Эхо-сигнал от одиночной рыбы.

3.2.3. Эхо-сигнал от рыбной стаи (косяка).

3.3. Математические модели эхо-сигналов от поверхностей раздела сред

3.3.1. Когерентная составляющая эхо-сигнала от дна водоема.

3.3.2. Реверберационная составляющая эхо-сигнала от дна водоема

3.3.3. Повторный эхо-сигнал от дна водоема.

3.3.4. Эхо-сигнал от поверхности водоема.

3.4. Математические модели реверберационных сигналов от неоднородностей среды.

3.4.1. Реверберационный сигнал от глубинных неоднородностей водной среды (объемная реверберация).

3.4.2. Реверберационный сигнал от приповерхностного слоя рассеивателей.

3.4.3. Реверберационный сигнал от звукорассеивающего слоя.

3.4.4. Реверберационный сигнал от кильватерной струи.

3.5. Математические модели эхо-сигналов от элементов орудий лова и других судов.

3.5.1. Эхо-сигнал от нижней подборы трала.

3.5.2. Эхо-сигнал от верхней подборы трала.

3.5.3. Эхо-сигнал от траловой доски.

3.5.4. Эхо-сигнал от тралового груза.

3.5.5. Эхо-сигнал от рыбы в кутке трала.

3.5.6. Эхо-сигнал от встречного судна.

3.6. Математические модели импульсных помех от зондирующих импульсов гидроакустических рыбопоисковых приборов.

3.6.1. Импульсная помеха от собственного зондирующего импульса

3.6.2. Импульсная помеха от зондирующего импульса гидролокатора другого судна.

3.7. Математические модели шумовых помех.

3.7.1. Акустические шумы собственного судна.

3.7.2. Внешние акустические шумы водоема.

3.7.3. Электрические шумы антенны и приемного тракта.

3.8. Выводы по результатам моделирования отдельных компонент результирующего сигнала.

4. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ, ОБЪЕКТОВ ЛОКАЦИИ, АППАРАТУРЫ И НОСИТЕЛЯ АППАРАТУРЫ НА СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ФЛЮКТУАЦИИ УРОВНЕЙ КОМПОНЕНТ СИГНАЛОВ

4.1. Учет потерь на распространение звука в водной среде.

4.2. Учет влияния рефракции звуковых лучей.

4.3. Учет эффекта Доплера при движении носителя рыбопоисковой аппаратуры и объектов локации.

4.4. Учет формы характеристики направленности гидроакустической антенны.

4.5. Учет параметров тракта излучения рыбопоисковой аппаратуры.

4.6. Учет параметров приемного тракта рыбопоисковой аппаратуры

4.7. Учет параметров систем вторичной обработки сигналов.

4.8. Учет ракурса промысловых объектов.

4.9. Принципы имитации флюктуаций уровня принимаемого сигнала.

5. РАЗРАБОТКА ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ И

ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЫПОЛНЕННЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

5.1. Однокомпьютерные тренажеры с программной реализацией моделей среды, аппаратуры и судна.

5.2. Однокомпьютерный тренажер с аппаратной реализацией приемного тракта, устройств отображения информации и пульта управления рыбопоискового эхолота.

5.3. Многокомпьютерные рыбопромысловые тренажеры с обменом информацией между моделями по локальной компьютерной сети

5.4. Моделирующая подсистема имитационно-аналитического компьютерного комплекса эксперта-гидроакустика.

Мировое промышленное рыболовство является одним из основных источников необходимых человеку продуктов питания. Промышленная добыча морепродуктов способна включить в пищевую цепь человека примерно половину всей первичной продукции фотосинтеза на планете, приходящейся на долю Мирового океана и внутренних водоемов. По этой причине вклад мирового рыболовства в решение проблемы обеспечения продовольствием постоянно растущего населения Земли является незаменимым.

Значительная часть мировой добычи морепродуктов обеспечивается рыбопромысловым флотом. Источниками информации о подводной обстановке на рыбопромысловых судах являются гидроакустические приборы - гидролокаторы, эхолоты и траловые зонды. Обслуживающим их операторам (гидроакустикам, штурманам) часто приходится работать в очень сложных условиях и допущенные ими ошибки могут приводить к нежелательным последствиям вплоть до аварий с орудиями лова или самими судами. Получение необходимых навыков по работе с гидроакустическими приборами требует длительных сроков стажировки операторов в условиях промысла, что экономически невыгодно.

Считается, что наиболее эффективным средством профессиональной подготовки судовых операторов являются тренажеры /1 - 6/, в которых искусственно реализуются физические или функциональные модели рыбопоисковых приборов и их взаимодействия с внешней средой. Потребность в гидроакустических тренажерах возрастает и в связи с тенденцией усложнения функциональных возможностей рыбопоисковых приборов, что, в свою очередь, увеличивает разнообразие и количество представляемой оператору информации. В настоящее время поднимается вопрос об обязательной периодической переподготовке судоводителей-промысловиков с помощью рыбопромысловых тренажеров, в которых гидроакустические тренажеры являются одной из основных подсистем /5/.

Реализация упомянутых моделей в гидроакустических тренажерах осуществляется с помощью имитаторов сигналов и помех /3, 4, 6, 7/, обеспечивающих, в свою очередь, формирование в устройствах отображения информации (реальных или имитируемых) гидроакустических приборов графических изображений или звуковых сигналов, соответствующих имитируемой ситуации.

Основным условие пригодности моделей для использования в имитаторах тренажеров является выполнение требования недопустимости формирования на тренажере ложных навыков управления /3, 4, 7/. Это обеспечивается путем создания моделей, погрешность которых не превышает погрешности информации о состоянии моделируемых объектов, получаемой оператором в реальных условиях промысла. В этом случае оператор не будет замечать информационного различия между реальными и имитируемыми в тренажере объектами. Очевидно, что это требование будет выполняться тем полнее, чем точнее будут воспроизводиться (имитироваться) сигналы и помехи в имитаторах тренажеров. На точность их воспроизведения влияет, в первую очередь, полнота учета всех элементарных сигналов, участвующих в формировании результирующего сигнала на выходе приемного тракта рыбопоискового прибора. Элементарные сигналы или компоненты результирующего сигнала формируются при отражении зондирующих импульсов от большого количества разнообразных по размеру и форме подводных объектов, а также при воздействии на гидроакустическую антенну шумов и помех искусственного или естественного происхождения.

Вторым важным условием по обеспечению точности воспроизведения результирующего сигнала является соблюдение определенной пропорциональности между средними уровнями элементарных сигналов. Это особенно важно при одновременной имитации работы нескольких рыбопоисковых приборов. При этом следует отметить, что неточное воспроизведение среднего уровня самого результирующего сигнала практически не влияет на качество обучения оператора, так как реальные рыбопоисковые приборы всегда имеют отклонения технических характеристик от номинальных (паспортных) значений.

Большое значение для точности воспроизведения сигналов имеет также возможно более достоверный учет влияния на параметры принимаемых сигналов характеристик внешней среды, режимов работы и характеристик рыбопоисковых приборов, характеристик и параметров движения носителя рыбопоискового прибора и объектов локации.

Так как в реальных условиях амплитуды огибающих эхо-сигналов и помех изменяются случайным образом относительно средних уровней, немаловажное значение для достоверной имитации представляемой оператору через визуальные и слуховые индикаторы информации имеет моделирование флюктуаций сигналов и помех.

В последнее время появилась потребность в имитационно-моделирующих комплексах, обеспечивающих возможность для экспертов-гидроакустиков анализировать в береговых условиях особенности и возможности предлагаемой на рынке рыбопоисковой аппаратуры до ее установки на конкретные типы судов /11/. Имитационно-моделирующие комплексы могут быть полезны и для разработчиков рыбопоисковых приборов, так как они позволяют еще на этапах эскизного или технического проектов оценить влияние предлагаемых технических решений на эффективность работы проектируемой аппаратуры. Очевидно, что в имитационно-моделирующих комплексах целесообразно применять имитаторы сигналов, аналогичные имитаторам гидроакустических тренажеров.

Анализ приводимых в литературе математических моделей компонент гидроакустического сигнала показывает, что они чаще всего или сильно упрощены, или, наоборот, настолько сложны, что их реализация в имитаторах в реальном масштабе времени невозможна. Кроме того, довольно большое количество компонент результирующего сигнала рыбопоисковых приборов до настоящего времени на уровне моделей никем не рассматривалось.

В настоящей работе ставится задача исследования математических моделей компонент сигнала, принимаемого антеннами рыбопоисковых приборов, а также связи этих моделей с моделями среды, носителей аппаратуры, излучающих и приемных трактов рыбопоисковых приборов.

Эти исследования направлены на создание имитаторов гидроакустических сигналов и помех, предназначенных для использования в составе гидроакустических тренажеров и имитационно-моделирующих комплексов.

Целью диссертационной работы являются теоретическое исследование структуры многокомпонентных сигналов рыбопоисковых приборов, разработка оптимальных для реализации на современных вычислительных средствах математических моделей компонент результирующего сигнала, сравнительные расчеты средних уровней компонент результирующего сигнала и отбор по результатам расчетов наиболее значимых компонент, оптимизация алгоритмов учета влияния на средние значения и флюктуации уровней компонент сигнала параметров объектов локации, режимов работы рыбопоисковых приборов, характеристик и режимов движения носителей рыбопоисковой аппаратуры, параметров среды распространения гидроакустических сигналов, разработка принципов построения имитаторов сигналов и помех для тренажеров и имитационно-моделирующих экспертных систем.

Поставленная в работе цель автором достигается теоретическими исследованиями, сравнительными расчетами и проверкой полученных результатов путем моделирования на ПЭВМ. Разработанные модели и алгоритмы были использованы при проектировании ряда рыбопромысловых тренажеров и экспертной системы. Оценка качество имитации работы рыбопоисковых приборов и корректировка моделей и алгоритмов осуществлялись с помощью экспертных оценок специалистов-гидроакустиков на выставках и в процессе внедрения тренажеров в учебных заведениях.

На защиту выносятся следующие теоретически исследованные и практически проверенные научные результаты:

1. Принцип формирования модели результирующего сигнала, принимаемого антенной рыбопоискового прибора, путем суммирования интенсивностей независимых энергетических компонент.

2. Математические модели основных компонент результирующего сигнала, формируемые в различных ситуациях при работе рыбопоисковых приборов на промысле.

3. Алгоритмы учета влияния на средние значения и флюктуации уровней компонент сигнала параметров объектов локации, режимов работы рыбопоисковых приборов, характеристик и режимов движения носителей рыбопоисковой аппаратуры, параметров среды распространения гидроакустических сигналов.

4. Результаты практической реализации имитаторов сигналов и помех в составе гидроакустических тренажеров и имитационно-моделирующей экспертной системы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемых литературных источников.

Основные результаты работы были представлены на:

- отраслевой научно-технической конференции "Компьютерные технологии обучения при специальной подготовке студентов в вузах рыбопромысловой отрасли", Калининград, 1995 г.;

- научно-методической конференции, посвященной 45-летию МГАРФ, Мурманск, 1995 г.;

- III Санкт-Петербургской международной конференции "Конверсионные технологии гидроакустики", Санкт-Петербург, 1996 г.;

- первом международном семинаре-совещании "Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов", Калининград, 1998 г.;

- второй международной конференции и совещании Госкомрыболовства России с начальниками госадминистраций морских рыбных портов по безопасности мореплавания "Управление безопасностью мореплавания и подготовка морских специалистов", Калининград, 1999 г.;

- пятой международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики", Санкт-Петербург, 2000 г.

По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в том числе 1 книга, 6 статей и 8 тезисов докладов.

Работа является завершенной и имеет важное народнохозяйственное значение, так как ее результаты используются при проектировании и эксплуатации рыбопромысловых тренажеров и экспертных систем, позволяющих в значительной мере сократить расходы на подготовку штурманского состава рыбопромыслового флота и повысить эффективность работы экспертов при подборе гидроакустической аппаратуры для рыбопромысловых судов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1) проведен анализ литературных источников, посвященных проблеме создания имитаторов гидроакустических рыбопоисковых приборов для рыбопромысловых тренажеров и экспертных систем, и выбрано направление исследований;

2) обоснован принцип построения математической модели результирующего сигнала, принимаемого антенной рыбопоискового прибора, путем суммирования интенсивностей отдельных независимых друг от друга акустических компонент сигнала;

3) выполнен анализ возможного состава компонент результирующего сигнала и оптимизирован их перечень;

4) разработаны математические модели эхо-сигналов от промысловых объектов и эталонных целей, эхо-сигналов от поверхностей раздела сред, ревербера-ционных сигналов от неоднородностей среды, эхо-сигналов от элементов орудий лова и других судов, модели имульсных помех от зондирующих импульсов гидроакустических рыбопоисковых приборов, модели шумовых помех;

5) в соответствии с разработанными математическими моделями сигналов и помех выполнены оценочные расчеты их уровней;

6) проведен анализ наиболее известных выражений для коэффициента затухания звука и выбрано выражение, обеспечивающее наиболее точный учет потерь на распространение звука в водной среде;

7) разработан упрощенный алгоритм учета рефракции звуковых лучей;

8) определены способы учета доплеровского смещения частоты заполнения эхо-сигналов и помехи от зондирующего импульса другого гидролокатора;

9) проанализированы математические выражения для характеристик направленности основных типов гидроакустических антенн и разработан упрощенный алгоритм расчета характеристики направленности антенны с плоской круговой апертурой;

10) разработан алгоритм учета параметров тракта излучения рыбопоисковой аппаратуры;

11) разработан алгоритм учета характеристик устройства временной автоматической регулировки усиления в модели приемного тракта рыбопоисковой аппаратуры;

12) разработаны обобщенные алгоритмы вторичной обработки сигналов в рыбопоисковых приборов для использования в имитаторах сигналов;

13) разработан алгоритм учета ракурса тела рыбы относительно направления зондирования;

14) предложен способ имитации флюктуаций уровней принимаемых сигналов и разработан алгоритм предварительного расчета огибающей со случайными флюктуациями.

1. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - JL: Судостроение, 1986. - 272 с.

2. Бичаев Б.П., Зеленин В.М., Новик Л.И. Морские тренажеры: Структуры, модели, обучение. Л.: Судостроение, 1986. - 288 с.

3. Анализ информации оператором-гидроакустиком. В.В. Деев, Ю.М. Забродин, А.П. Пахомов и др. Л.: Судостроение, 1989. - 192 с.

4. Бегельфер Е.М. Основные направления развития тренажеров для обучения судоводителей и гидроакустиков. М.: ЦНИИТЭИРХ, 1974 (Обзорная информация, сер. 6, вып. 3). - 31 с.

5. Гидроакустическая энциклопедия/Под общ. ред. В.И. Тимошенко. Ред. кол. Л.М. Бреховских, Н.А. Дубровский, О.В. Руденко и др. Таганрог: Издательство ТРТУ. Изд. 2-ое, исправленное и дополненное. 2000. - 854 с.

6. Microprocessors give life to simulators and to the classroom//Simrad Echo, Norway, № 32, February, 1981, p. 15.

7. FS304 Fishery Simulator. Product Description. Norcontrol Simulation, 1990. - 38 c.

8. Бегельфер E. Навигационно-промысловый тренажер. M.: ЦНИИТЭИРХ, 1987 (Экспресс-информация, сер.: Промысловая радиоэлектронная аппаратура и подводная техника, вып. 9). - 7 с.

9. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988 - 448 с.

10. Финк JI.M. Сигналы, помехи, ошибки . Заметки о некоторых неожиданностях, парадоксах и заблуждениях в теории связи. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.

11. Применение цифровой обработки сигналов/Под ред. Э. Оппенгейма: Пер. с англ./Под ред. A.M. Рязанцева. М.: Мир, 1980. - 552 с.

12. Ольшевский В.В., Панфилов В.А. Моделирование морской реверберации с учетом влияния движения рассеивателей. В сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова: Акустические методы исследования океана. - Л.: Судостроение, 1976, вып. 237, с. 39-45.

13. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М.: Наука, 1976.-256 с.

14. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики / Пер. с англ. Д.: Судостроение, 1978.-448 с.

15. Love R.H. Target strength of an individual fish at any aspect // J. Acoust. Soc. Amer., vol. 62, no. 6, 1977, pp. 1397-1403.

16. Юданов К.И. Гидроакустическая разведка рыбы. СПб.: Судостроение, 1992.- 192 с.

17. Юданов К.И., Калихман И.Л., Теслер В.Д. Руководство по проведению гидроакустических съемок. М., ВНИРО, 1984. - 124 с.

18. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.: Пищевая промышленность, 1978. - 312 с.

19. Шишкова Е.В. Физические основы промысловой гидроакустики. М.: Пищевая промышленность, 1977. - 248 с.

20. Орлов JI.B., Шабров А.А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота. JL: Судостроение, 1987. - 222 с.

21. Андреева И.Б., Белоусов А.В., Львовская Г.Ф., Тарасов Л.Л. Акустические свойства плотных скоплений пелагических животных в океане // Акуст. журн, 1994, т. 40, № 1, с. 9-16.

22. Оценка характеристик распределения промысловых объектов. Методические указания. Калининград, АтлантНИРО, 1985.

23. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 288 с.

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

25. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография/Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 580 с.

26. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 264 с.

27. Лысанов Ю.П. Рассеяние звука неровными поверхностями / В кн.: Акустика океана / Под ред. JI.M. Бреховских. М.: Наука, 1974. - 694 с.

28. Колобаев П.А. Рассеяние звука воздушными пузырьками, создаваемыми ветром в приповерхностном слое океана, и их роль в формировании поверхностного рассеяния // Вопросы судостроения, серия "Акустика", 1977, вып. 8, с. 58-66.

29. Физические основы подводной акустики: Пер. с англ./Под ред. В.И. Мясищева. М.: Советское радио, 1955. - 740 с.

30. Ралль В.Ю., Макарьев O.JL, Поляков B.C. Тренажеры и имитаторы ВМФ. М.: Военное издательство министерства обороны СССР, 1969. - 215 с.

31. Шендеров E.JI. Излучение и рассеяние звука. JI.: Судостроение, 1989.304 с.

32. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - Д.: Судостроение, 1990. - 320 с.

33. Справочник капитана промыслового судна/Под ред. Е.Д. Ширяева. М.: Агропромиздат, 1990. - 638 с.

34. Фридман A.J1. Теория и проектирование орудий промышленного рыболовства. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.-328 с.

35. Болгов В.М., Плахов Д.Д., Яковлев В.Е. Акустические шумы и помехи на судах. Л.: Судостроение, 1984. - 192 с.

36. Справочник по гидроакустике/А.П. Евтютов, А.Е. Колесников, Е.А. Ко-репин и др. 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1988. - 552 с.

37. Гаврилов Е.Н. Об уровне подводных шумов и помех на научно-исследовательских судах, выполняющих гидроакустические съемки//Развитие технических методов рыбохозяйственных исследований: Сб.науч.тр./ПИНРО. -Мурманск: Изд-во ПИНРО, 1999, с. 5-12.

38. Камп Л. Подводная акустика/Пер. с англ. М.: Мир, 1972. - 328 с.

39. Urick R.J. Principles of Underwater Sound, 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 1975.-342 c.

40. Francois R.E., Garrison G.R. Sound absorption based on ocean measurements. Part II: Boric acid contribution and equation for total absorption // J. Acoust. Soc. Amer., vol. 72, no. 6, 1982, pp. 1879-1890.

41. Матвиенко B.H., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. Д.: Судостроение, 1976. - 198 с.

42. Кудрявцев В.И. Использование гидроакустики в рыбном хозяйстве. М.: Пищевая промышленность, 1979. - 176 с.

43. Яковлев А.Н., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. JL: Судостроение, 1983. - 200 с.

44. Сташкевич А.П. Акустика моря. Л.: Судостроение, 1966. - 356 с.

45. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров/Пер. с фр. -М.: Наука, 1965.-780 с.

46. Долгов А.Н., Кудрявцев Н.Н., Сыротюк А.П. Гидроакустический тренажер для рыбопоискового комплекса "Сарган-К". М., 1997. - (Рыбн. хоз-во. Сер. Промысловая радиоэлектронная аппаратура: Аналитическая и реферативная ин-формация/ВНИЭРХ; Вып. 7-8, с. 15-19).

47. Долгов А.Н., Кудрявцев Н.Н., Сыротюк А.П. Гидроакустическая подсистема комплексного рыбопромыслового тренажера. Труды Пятой международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики", Санкт-Петербург, 2000, с. 297-300.144