Разработка акустического аппаратно-программного комплекса для гидрофизических исследований и звукоподводной связи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ
|
Безответных, Владимир Викторович
АВТОР
|
||||
|
кандидата технических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Владивосток
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2007
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.06
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
\
Безответных Владимир Викторович
РАЗРАБОТКА АКУСТИЧЕСКОГО АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЗВУКОПОДВОДНОЙ СВЯЛ!
Специальность 01.04 06 - Акустика
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток - 2007
Работ а выполнена в Тихоокеанском океанологическом институте им В И Ильичева ДВО РАН
Науч ный руководитель доктор технических наук
Моргунов Юрий Николаевич
Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор
Долгих Валерий Николаевич
кандидат физико-математических наук Константинов Олег Григорьевич
Ведущая организация. Институт проблем морских технологий
ДВО РАН
Защита диссертации состоится 18 мая в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 005 017 01 при Тихоокеанском океанологическом институте им В И Ильичев ДВО РАН по адресу 690041, г Владивосток, ул Балтийская, 43
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского океанологического института им В И Ильичева ДВО РАН
Автореферат разослан // апреля 2007 г
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор
Коренбаум Владимир Ильич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Одной из первоочередных и важнейших задач, стоящих в настоящее время перед специалистами подводной акустики, является приоритетное развитие материально-технической и методологической базы для дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов Правильный выбор комплекса используемых методов и средств измерения для решения проблем технической океанологии, обеспечение научной и технической перспективы развития и эффективности его использования является одной из важнейших современных научно-технических проблем
В данной работе приведены результаты исследований и технических решений по проблеме практического применения акустического зондирования для создания систем мониторинга динамики и структуры вод в океанской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу
Актуальность решаемой в данной работе проблемы определяется тем, что акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде относятся к наиболее эффективным технологиям, применение которых позволяет комплексно решать вопросы получения и передачи в центры сбора океанологической информации, существенно дополнив и расширив возможности контактных методов измерений
В работе рассматриваются технические решения, направленные на развитие и повышение эффективности гидроакустических методов исследований и мониторинга океанологических процессов Разработанные технические средства и методы могут быть использованы для решения актуальных проблем прикладной гидроакустики и гидрофизики, а именно
• разработка мобильных систем дистанционного зондирования морской среды с передачей гидрофизической информации по гидроакустическому каналу,
• разработка технических решений для создания низкочастотных систем звукоподводной связи и передачи информации на сотни километров
Существенным является то, что экспериментально обоснованная в многолетних натурных исследованиях эффективность разработанных технических средств и методов позволяет прогнозировать их использование для решения актуальных проблем и в других областях прикладной гидроакустики, не проанализированных подробно (например, для
решения задач обороны страны, для охраны заповедников и морских границ, для прогноза миграций и обнаружения промысловых биологических объектов) Акты внедрения материалов диссертации в научных разработках различных организаций страны (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, ОАО «Дальприбор», СПП при Президиуме ДВО РАН) свидетельствуют об их успешном использовании
Цель работы и задачи исследования
Цель - разработка технических средств и методик для зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами типа М-последовательностей и исследование возможностей их применения в задачах звукоподводной связи и акустической томографии Задачи:
• разработка и экспериментальная апробация систем генерации и излучения сложных фазоманипулированных сигналов,
• разработка и экспериментальная апробация систем приема и обработки акустических сигналов типа М-последовательностей,
• экспериментальные исследования гидроакустического канала передачи информации в Японском море,
• экспериментальная апробация разработанных методик и средств для исследования динамики и структуры вод на шельфе Японского моря методами акустической томографии
Научная новизна
Работа содержит новые научные результаты по разработке и апробации в натурных условиях новых способов и технических средств акустического зондирования морской среды для комплексного решения задач акустической томографии океана и звукоподводной связи Практически все технические решения систем излучения, приема и обработки сигнальной информации могут бьггь использованы и в системах томографической диагностики морской среды и для звукоподводной связи
Впервые в отечественной практике, осуществлена высокоскоростная передача информации по гидроакустическому каналу с когерентным суммированием акустической энергии пришедшей по различным лучевым траекториям на дистанции до 200 миль
Научная достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном на протяжении 7 лет в трех морских и шести береговых экспедициях
Достоверность полученных данных обусловлена применением апробированных методик измерений, тщательной калибровкой приемных и излучающих систем, повторяемостью результатов многократных экспериментов и согласованностью экспериментальных и теоретических оценок
Практическая значимость диссертации определяется разработкой современных акустических приборов и методов, применение которых позволяет решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики В частности, решены имеющие большое практическое значение задачи генерации, излучения, приема и обработки сложных фазоманипулированных сигналов для создания систем акустической томографии и передачи информации на расстояния в сотни километров Результатом этих решений стала разработка технических средств, обладающих новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований динамики и структуры вод в Японском море Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при выполнении задач, поставленных в ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ и ДВО РАН, а также внедрением разработок во многих организациях Дальнего Востока. Успешное применение приемно-излучающих систем и методов акустического зондирования морской среды было осуществлено при проведении совместных исследований в Японском море в рамках американо-российско-корейского проекта JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment) Технические и теоретические наработки в вопросах передачи информации по гидроакустическому каналу позволили выиграть конкурс на проведение исследований по оборонной тематике
Публикации и апробация работы Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 23 работах
Изложенные в диссертации результаты докладывались на Международном симпозиуме по акустической томографии и акустической термометрии (Токио, 1999), на Международной научно-технической конференции ОКЕАН-99, (Сиэтл, 1999), на Международной рабочей группе по акустической томографии (Нижний Новгород, 1999), на VII региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Кумамото, Япония, 2000), на конференции по акустической океанографии (Саутхемптон, Англия, 2001), на V международной конференции по теоретической и вычислительной акустике (Пекин, КНР, 2001), на XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001), на X школе-семинаре акад JIМ Бреховских, (Москва, 2004) ,на XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), на семинаре акад
Л М Бреховских, совмещенной с XVII сессией Российского Акустического Общества (Москва, 2006), на IX региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Сеул, Ю Корея, 2006)
Личный вклад автора Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате разработки технических решений и натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН Автор возглавлял экспедиции на НИС «Луговое» в 2005 и на ПМШ «Светлана» в 2006 году и береговые экспедиции в 2000 и 2002 годах Лично автором выполнялись разработка, изготовление и испытание в натурных условиях механических и электронных блоков приемных и излучающих систем Основные технические решения, вошедшие в диссертацию, получены автором На защиту выносится:
1 Разработанные и экспериментально апробированные технические решения по генерации, излучению, приему и обработке сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей и результаты исследований возможностей их комплексного применения в задачах звукоподводной связи и акустической томографии динамики и структуры водной среды
2 Экспериментальные результаты передачи информации по гидроакустическому каналу с когерентным суммированием акустической энергии, пришедшей по различным лучевым траекториям
Объем работы Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка цитируемой литературы Общий объем диссертации составляет 106 страниц, включая 41 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 55 наименований
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность и практическая значимость исследований, дается общая постановка основных задач диссертационной работы
В первом главе "Аналитический обзор проблем в области звукоподводной связи и акустической томографии и постановка задач на исследования" проводится обзор отечественной и зарубежной литературы по проблемам акустической томографии динамики и структуры водной среды и передачи информации по гидроакустическому каналу В первом подразделе анализируются результаты экспериментальных и теоретических исследований возможностей применения дистанционных акустических
методов для измерения и мониторинга температурных и соленосных режимов на акваториях различной протяженности, морских течений, приливов и внутренних волн Рассмотрены современные подходы отечественных и зарубежных специалистов к технической и методической реализации томографических измерений
Во втором подразделе приводится анализ литературных источников, посвященных проблеме передачи информации по гидроакустическому каналу Данная проблема связана с решением двух основных задач подводной гидроакустики Это, во-первых, обеспечение звукоподводной связи и передачи команд управления на морские объекты оборонного назначения и, во-вторых, повышение эффективности томографического и океанологического оборудования путем передачи измеренной информации по гидроакустическому каналу в центры сбора и анализа Особый интерес представили экспериментальные работы Коданева и Захарова по передаче информации на расстояния в сотни километров
В результате анализа были конкретизированы задачи на разработки и исследования в диссертационной работе
• разработка конструкций, схем генерации, питания и синхронизации источников звука сложных фазоманипулированных сигналов, работающих в частотном диапазоне 250 - 2500 Гц, на глубинах до 150 метров, в стационарном (кабельном) и автономном режимах,
• разработка конструкций, схем усиления, регистрации и хранения информации систем приема гидроакустических сигналов в диапазоне частот 10 - 10000 Гц,
• разработка, изготовление и исследование характеристик автономных систем корреляционной обработки фазоманипулированных сигналов на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС),
• разработка, изготовление и испытание в натурных условиях системы единого времени для синхронизации излучающих и приемных комплексов при решении задач звукоподводной связи и акустической томографии,
• исследование надежности и скоростных возможностей гидроакустического канала передачи информации в Японском море на дистанциях до 200 миль,
• экспериментальная апробация разработанных технических решений для измерения и мониторинга температурных режимов на шельфе Японского моря
Во второй главе "Гидроакустические инструментальные средства для зондирования океана сложными фазоманипулированными сигналами" приведены результаты
методических и технических решений, направленных на создание систем мониторинга динамики и структуры вод в океанской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу с применением акустического зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами
В подразделе 2.1 представлено описание акустико-гидрофизического комплекса, разработанного для мониторинга глобальных изменений полей температур и течений на шельфе и в глубоководной части Японского моря и передачи информации с помощью акустических методов Подраздел является основным в квалификационной работе, т к здесь приведены результаты технических разработок, которые могут применяться в системах томографического мониторинга и звукоподводной связи, а при необходимости комплексироваться При разработке упор был сделан на применение в мелководных районах донных точечных приемно-излучающих систем Это актуально для эффективной и надежной работы комплекса в районах с интенсивным рыболовством и сильными течениями
В подразделе 2.1.1 описаны методические и технические аспекты, которые легли в основу разработок комплекса Они базировались на необходимости исследования и экспериментальной апробации возможности использования для решения поставленных в работе задач сложных фазоманипулированных сигналов в диапазоне частот 250 — 2500 Гц Это позволяет обеспечить разделение и идентификацию импульсов акустической энергии, пришедших по различным лучевым траекториям на дистанциях до 500 километров Таким образом, появляется возможность измерять времена пробега импульсов в различных слоях диагностируемого волновода и по ним реконструировать гидрофизические характеристики Коротко, метод базируется на допущении, что для малых возмущений профиля скорости звука ¿>c(z) = c(z)-c0(z)«c0(z), где c(z) -возмущенный профиль скорости звука, c0(z) - опорный (до возмущения) профиль скорости звука Изменение времени распространения Дг, акустического импульса может быть записано в виде
Дг r ro= r_A__ Г^гМ^,
' ' ' I c(z) rJCo(z) rJCo2(z) где г - задержка распространения j-oro луча, г° - задержка распространения j-oro луча до возмущения, а интеграл в уравнении берется вдоль невозмущенных собственных лучей, Г; Для набора из Т возмущений времен распространения и при дискретизации
вертикального профиля скорости звука в воде на L слоев, можно связать вектор задержек д'г = [Ar,,Дг2 ,Дгг] с вектором возмущений профиля скорости звука gc = [Sc„Sc2, ScL], где Scj - средняя величина Sc(z) bj-om слое
Техническая реализация метода может быть основана на применении сложных фазоманипулированных сигналов для зондирования морской среды с последующим вычислением взаимной корреляционной функции принятого и излученного сигналов При правильном выборе частотного диапазона и параметров сигналов это позволяет разрешить во времени отдельные приходы акустической энергии, которые напрямую связаны со скоростью распространения акустической энергии по различным траекториям и температурой в соответствующих слоях
Эта технология позволяет предложить оригинальный способ передачи информации по гидроакустическому каналу, который подробно описан в разделе 2 2
В подразделах 2 1 4 - 2 1.6 приведено описание технических средств, разработанных или использованных автором для решения задач акустической томографии динамики и структуры вод и звукоподводной связи в Японском море
Излучающие системы
Одним из основных требований к гидроакустическим излучающим системам при разработке комплекса являлось обеспечение формирования акустических сигналов в широкой полосе частот (250 - 2500 Гц) с заданными или меняющимися в процессе эксперимента частотно-фазовыми характеристиками Были разработаны системы излучения сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей с числом символов, равным 511 и длиной от 2-х до 8 периодов несущей частоты Необходимое акустическое давление для зондирования всей акватории Японского моря было задано в пределах от 500 до 7000 Па/м В излучающую систему комплекса, элементы формирования и генерации сигналов которой разрабатывались при участии автора, входят автономный источник сигналов, два излучателя электромагнитного типа и один пьезокерамический, установленные у дна стационарно и связанные с береговым постом кабелем На рис 1 приведены излучающие средства комплекса и структурная схема их функционирования на акустико-гидрофизическом полигоне у мыса Гамова в Японском море при проведении экспериментальных исследований
Автономный яэдучлель 260 Гц
Имуч' 250 - 3€6 Гя
Q 'О • " " \ Кабель
. Г Биоя электроянхя я Л •• I
бятярвй О У /
ШярокояолосяыА шлучягепь
Рис 1 Схема расположения излучателей акустических сигналов
На глубине 40 м, при удалении от берега 450 м, был установлен широкополосный пьезокерамический излучатель для излучения сигналов в диапазоне 300 - 2500 Гц, который функционирует с 1999 года и является основным излучающим элементом комплекса по сей день Синхронизация излучения производится от системы единого времени Сигналы формируются специальной программой, позволяющей в ходе эксперимента управлять длиной М-последовательности и уровнем излучения Выходная мощность усилителя регулируется программно до 1000 Вт, что обеспечивает уровень звукового давления излучателя до 7000 Па/м
Экспериментальная апробация разработанных систем излучения сигналов типа М-последовательностей в течение 7 лет показала, что они обеспечивают их уверенный прием на дистанциях до 550 км при их формировании на центральных частотах 250, 366, 400, 604 Гц Томографические исследования неоднородностей морской среды на акваториях размерами до 20 км наиболее эффективны при использовании М-последовательностей с центральной частотой 2500 Гц
Приемные системы
Решение задач, поставленных в работе, потребовало разработки приемных систем двух типов Мобильные гидрофонные системы для оперативных постановок в различных районах шельфа и глубокого моря были изготовлены на базе радиогидроакустических буев с передачей информации на береговой пост или на борт плавучей лаборатории по радиоканалу Для этого переоборудовались авиационные буи РГБ-16 путем удаления лишних функций и заменой кабеля и гидрофонов В качестве приемника радиосигналов применялись широкополосные радиоприемники фирмы AOR
АЯ-8000 и А Я-3000, С использованием этих приемных систем, были выполнены исследования стабильности гидроакустического канала передачи информации на дистанциях до 200 миль и различные эксперименты по исследованию влияния неодно рол н остей морской среды различных масштабов на формирование гидроакустических полей в диапазоне частот 250 - 2500 Гц на стационарных трассах, протяженностью до 20 км.
иш'еон
Рис 3 При ем но-иглу чающая томографическая система
Кроме этого под руководством автора была разработана, изготовлена и установлена на удалении 2 км от излучателя стационарная приемная система, соединенная кабелем с береговым постом, которая функционирует с 2005 года (рис.3). Чувствительность гидрофона линейна в диапазоне частот 300 - 16000 Гц и составляет 120 мкВ/Па. Коэффициент усиления предварительного усилителя равен 500 (54 дБ). Питание осуществляется с берегового поста. Применение этой системы позволило организовать и выполнить исследования закономерностей формирования гидроакустических полей в условиях изменчивости гидрофизических параметров морской среды в течение г ода.
Электронные блоки н системы акустн ко- г и д р о ф и ш чес кого комплекса
В данном разделе приводится описание электронных блоков и систем комплекса, разработанных и изготовленных для излучения, приема и анализа сложных фазоманицулированиых сигналов для решения задач акустической томографии неодноро дкОстей морской среды и звукоподводкцй связи.
В основе построения комплекса лежит модульная схема исполнения. Это означае т, что каждый элемент комплекса в зависимости от выполняемых функций может компоноваться различным набором модулей. Модули выполнены в технологически
завершенном виде и могут быть использованы как совместно в одном устройстве, так и по отдельности На рис 4 приведена структурная схема комплекса
Рис 4 Структурная схема основных узлов комплекса (И - излучатель, У - усилитель мощности, Гр -гидрофон, Г - система генерации сигналов, СЕВ - система единого времени, КП - корреляционный приемник, ИП - управляемый источник питания, ПК - персональный компьютер)
Генератор сложных фазоманипулированных сигналов
Схема генерации акустических сигналов осуществляется либо путем считывания предварительно записанного сигнала с флеш-памяти либо непосредственной модуляцией несущей по определенному закону Первый способ удобен для использования в томографических системах, второй - в системах звукоподводной связи На рис 5 оба варианта выделены пунктирными прямоугольниками
Рис 5 Структурная схема генератора
Блок считывания состоит из 8-ми разрядной памяти (П) объемом 512 кбайт, 8-ми разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и усилителя (У) Скорость считывания (частота дискретизации может задаваться произвольно в диапазоне от единиц Гц до 100 кГц Для работы схемы в этом режиме необходимо подавать тактовую
частоту Гд и импульсы (метки) начала считывания Блок модуляции состоит из набора модуляторов Двухпозиционный частотный ЧМ и четырехпозиционный фазовый ФМ манипуляторы содержатся в управляемой микросхеме прямого цифрового синтеза ББЗ Далее сигнал при необходимости модулируется по амплитуде в АМ и усиливается Блоки не могут работать одновременно из-за совместного использования одних и тех же узлов схемы Предусмотрена возможность управления режимами работы генератора посредством схемы управления (СУ) через 118-232 интерфейс (СОМ) от ПК
Система единого времени
Система единого времени, схема которой представлена на рис 6, предназначена для счета реального времени с точностью 10'8 (уход за час не более чем 10'8с) Также в ее функции входит генерация высокостабильной тактовой частоты, задаваемой в широком диапазоне от единиц Гц до сотен кГц и меток времени от 1 сек до нескольких суток
Рис б Структурная схема системы единого времени
Управляемый блок делителей (БД) делит опорную частоту от генератора (Г) , подаваемую через усилитель-формирователь (УФ) Для работы устройства, как от сетевого источника питания (ИП 220В) так и от автономного (ИП 12В - аккумулятор), предусмотрена система разряда/заряда аккумулятора через схему управления источниками питания (УИП) УИП также обеспечивает работу без сбоев при отключении одного из источников питания На жидкокристаллический модуль (LCD) выводится текущее время, состояние батареи и режим работы Существует также возможность управления режимами работы от ПК по RS-232 интерфейсу (СОМ)
Корреляционный приемник
Функция взаимной корреляции для двух сигналов при дискретном сдвиге во времени, который происходит при дискретизации сигнала, имеет вид
M = (<>:>(',-г) >
где s3 - значение эталонного сигнала (маски) в дискретные моменты времени /,, s„ -принятый сигнал в Таким образом, вычисление корреляции сводится к фиксированию значений *„(/,) и s3(t,), которые далее перемножаются и суммируются
за время Л' — , где /а - частота дискретизации, N- количество отсчетов реализации /д
сигнала На рис 7 приведена структурная схема корреляционного приемника. Принятый гидрофоном акустический сигнал поступает во входную цепь, функционально выделенную в пунктирный прямоугольник В ней сигнал предварительно усиливается в ПУ, и фильтруется в полосовом фильтре (перепрограммируемый фильтр 4-того порядка фирмы Maxim МАХ262) (Ф) Полоса и порядок фильтра зависят от применяемого сигнала и могут меняться в течение работы устройства Операционный усилитель (ОУ) усиливает сигнал для последующего преобразования в АЦП
Рис 7 Структурная схема корреляционного приемника
Вся схема управляется микроконтроллером фирмы Аипе1 АТ9088535 В пунктирном прямоугольнике функционально выделены основные применяемые узлы Это десятиразрядный АЦП последовательного приближения с частотой дискретизации до 14 кГц Память (П) предназначена для хранения образа излученного сигнала (маски) Блок счетчиков (БС) используется для получения различных тактовых частот Модуль асинхронного приемопередатчика иАЯТ (СОМ) служит для связи устройства по 118-232
интерфейсу с персональным компьютером (ПК) Все блоки связаны шиной данных, изображенной объемными стрелками Результат оцифровки АЦП выставляется синхронно с частотой преобразования на вход программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) фирмы Altera, семейства Асех ЕР1К50ТС144 В ней реализован алгоритм вычисления корреляционной функции Результат вычисления передается через последовательный порт в ПК
В подразделе 2.2 "Система передачи информации по гидроакустическому каналу" рассмотрены методические и технические решения по созданию систем высокоскоростной передачи информации по гидроакустическому каналу на расстояния в сотни километров
В разрабатываемом методе предложен принцип непосредственной передачи М-последовательностей по гидроакустическому каналу для оценки импульсной характеристики канала Эти же М-последовательности применяются для кодирования информации, что позволяет при обработке когерентно суммировать все приходы акустической энергии Работа системы связи, основанная на этом методе, сводится к следующим этапам
На первом этапе программно моделируется или с помощью технических средств реализуется линейный сдвиговый регистр длиной m разрядов с обратными связями Определенным образом выбранные обратные связи передают значения разрядов регистра на сумматор по модулю 2 (операция XOR — исключающее ИЛИ), результат суммирования поступает на вход регистра. С выхода регистра снимается последовательность нулей и единиц, из которых собственно формируются символы М-последовательности длиной L = 2m - 1 Для реализации предложенного метода формируется одна, две или три М-последовательности с абсолютными значениями максимальных уровней взаимной корреляции не превышающими 0,033 Исходя из опыта работ с такими сигналами, генерировались последовательности длиной 511 символов с 4 периодами несущей частоты на символ, условно обозначаемые А, С, D
Три независимых взаимно ортогональных фазоманипулированных сигнала (М-последовательности А, С и D) используются для передачи до трех информационных посылок Передаваемая информация представляется в виде одного, двух или трех векторов hi, h2 и h3, определяя поток данных информационных слов во времени соответственно для первого сигнала - hi, для второго - И2 и ИЗ - для третьего
Кодирование исходной информации М - последовательностями производится с помощью операции свертки
= +1-0, (2)
I
s(k) = £ A, (Ocod^k +1 _ о + £ Л, 0)cod2(k + 1-0, (3)
; I
s(k) = £ А, (')соб?, (к +1 - /) + £ Aj (/)corf2 (£ +1 - /) + £ А, (0со</3 (Jt +1 - /), (4)
Г Г I
где codj, cod2, cods - взаимно ортогональные М - последовательности длиной 511 символов (А, С и D)
На втором этапе формируется сигнальный фрейм, который передается в гидроакустический канал связи, претерпевает в канале искажения, связанные с условиями распространения акустических сигналов (многолучевостью и др) Фрейм состоит из синхронизирующих М - последовательностей cod¡, cod2, cod3, и кодированного информационного сигнала s(k)
Для реализации предложенного алгоритма связи были созданы кодирующее и декодирующее устройства В декодирующем устройстве вычисляется корреляция принятого сигнала с маской и сравнивается с пороговым значением На первом этапе, при превышении порога, производится замена сигнала маски на принятый Это означает обнаружение начала информационного фрейма и оценку импульсной характеристики канала На втором этапе производится декодирование уже информационного фрейма путем вычисления корреляции и сравнения с пороговым значением При превышении порога, информационному биту присваивается значение 1, в противном случае 0 Присваивание производится с шагом определяемым алгоритмом кодирования Полученная информация передается на ПК для дальнейшего интерпретирования Для реализации описанной последовательности действий пригоден корреляционный приемник с несущественными изменениями в алгоритме работы, описание которого приведено во 2-й главе Кодирующее устройство должно позволять формировать информационную последовательность путем арифметического сложения сдвигаемых М-последовательностей с последующей модуляцией по фазе и амплитуде С ПК подается определенной длины фрейм исходной битовой информационной последовательности, а в кодировщике происходит кодирование с помощью М-последовательностей и модуляции
Для использования ранее упомянутого генератора в системе связи, был разработан дополнительный блок модуляции Выполнен он в виде отдельного модуля с соединительной колодкой под DIP-32 и вставляется в основную плату вместо памяти AT49F040 Блок позволяет модулировать сигнал по частоте, фазе и амплитуде
В третьей главе "Результаты экспериментальной апробации технических решений по разработке систем акустической томографии и звукоподводной связи" представлены методики и результаты применения разработанных технических средств в задачах акустической томографии и звукоподводной связи
В подразделе 3.1 "Эксперимент по акустической томографии в Японском море " в качестве примера приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования и взаимодействия гидроакустических и температурных полей в мелком море на примере шельфовой зоны Японского моря, демонстрирующие возможности дистанционных акустических методов и разработанных средств для измерения и мониторинга температурных полей
Эксперименты проводились на акустико-гидрофизическом полигоне ТОЙ ДВО РАН в Японском море в августе - сентябре 2004 и 2005 г В этот период здесь была организована стационарная акустическая трасса Широкополосный акустический излучатель был установлен в 400 м от берега, на глубине 39 м, при глубине места 40 м Каждую минуту, в течение суток излучались сложные фазоманипулированные сигналы с центральной частотой 2500 Гц в виде М-последовательностей, состоящих из 511 символов Приемный гидрофон устанавливался на удалении 2 км от излучателя вблизи дна при глубине моря 43 м В береговой лаборатории в реальном масштабе времени вычислялась функция взаимной корреляции между принятыми и излученными сигналами, и таким образом определялись вариации времен пробега импульсов по различным траекториям В точке приема осуществлялись ежечасные измерения вертикальных профилей температуры и солености На рис 86 приведен пример вариации времен приходов, полученных в августе на данной акустической трассе В период захода холодных приливных вод формируется придонный звуковой канал и основная энергия распространяется по лучам с малыми углами скольжения с минимальными групповыми скоростями Как видно, наиболее четко коррелируют с изменениями температуры в придонном слое времена поздних приходов акустических импульсов
Врегля сутш. ч
Рис. 8. а - зависимость температуры воды от времени суток и глубины, 5 вариации импульсной характеристики канала (август 2005 г.)
Время cytoí, ч
Гцяс
Рис. 9 Импульсные характеристики канала для времени суток: 02:00 (вверху), 08:00 (внизу) (____
эксперимент:___- расчет)
В период отлива, когда теплые слои поды опускаются, и ширина придонного канала уменьшается, происходит перераспределение энергий я верхнюю часть волновода, и фиксируются более мощные ранние приходы, сформированные лучами с крутыми углами скольжения с более высокими групповыми скоростями.
На рис. 9 приведены расчетные и экспериментально полученные имггульсные характеристики данного волновода для двух характерных момегггов прохождения
Время м1дерм«(игмс
приливного фронта, отмеченных на рис 86 извилистыми линиями Соответствие расчетных и экспериментально полученных времен пробега (отличие в 0,2 %) и качественное соответствие амплитуд звуковых импульсов при распространении по различным лучевым траекториям позволяет рассчитывать на успешное решение задач реконструкции температурных полей
В подразделе 3.2 "Эксперименты по звукоподводной связи в Японском море" приведены результаты экспериментальных исследований разработанной системы передачи информации по гидроакустическому каналу связи Исследования проводились в акватории Японского моря на акустических трассах от полуострова Гамова до банки Кита-Ямато в июне 2005 и августе 2006 г
В испытанной системе звукоподводной связи в 2005 году использовалось два независимых взаимно ортогональных фазоманипулированных сигнала (М -последовательности) для передачи двух информационных посылок Центральная частота составляла 360 Гц Кодирование исходной информации М -последовательностями производилась с помощью операции свертки (3) в которой, И1 и И2 — информационные посылки
М {1 1 0 0 1 0 1 0 0 0}, И2{ 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1} В экспериментах 2006 года, центральная частота составляла 600 Гц, и было добавлено кодирование с помощью одной М-последовательности (2) и с помощью трех (4), где информационная посылка ИЗ имеет вид
АЗ {0 1 1 0 0 1 0 1 0 0} Сеанс связи заключался в обнаружении сигнала сос/;, выделении сигналов сое!), сос12, сос!3 и последующей корреляционной обработке в пакете ОАО^Р 4 1 Для определения начала прихода серии кодированных посылок вычислялась взаимная корреляция между маской (сигналом, записанным в непосредственной близости от излучателя) и принятым в точке сигналом с целью оценки импульсной характеристики канала связи После определения начала прихода, выделялись фрагменты фрейма, соответствующие длительностям некодированных посылок, затем вычислялась их взаимная корреляция с последующими кодированными Примеры результатов обработки приведены на рис 10, 11, где выделенные импульсы соответствуют переданной информации с учетом энергии всех приходов акустического сигнала Временная шкала на рисунках соответствует параметрам сигналов, амплитудная — результат нормировки на максимум функции
автокорреляции опорных сигналов Применение описанной системы позволило обеспечить прием информационной посылки на всех 8 точках при вероятности правильного определения переданной информации до 83 %
s <
Il île ® Л\ « 'V, 9 О :
J\ WVL
Рис 10 Принятые информационные последовательности на дистанции 135 миль в 2005 г
о 0 6-
S 04 fX
5 02 < S
< о ,
10010X00
! i л
0 34 0 40 t с
Рис 11 Принятые информационные последовательности на дистанции 155 миль в 2006 г
В заключении сформулированы основные выводы и результаты
1 Разработаны и апробированы в натурных условиях программные и технические решения для создания унифицированного комплекса для акустического мониторинга структуры и динамики вод океана и передачи информации по гидроакустическому каналу
• программы и устройства формирования и генерации сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей сигналов с точностью задания частоты ± 0,01 Гц,
• система единого времени для синхронизации излучающих и приемных трактов с относительной нестабильностью 10"8 с, позволяющая организовать взаимную корреляционную обработку сигнальной информации,
• корреляционный приемник на ПЛИС для свертки принятого сигнала с репликой излученного в реальном масштабе времени,
• программы и устройства анализа и отображения принятой информации
2 В работе экспериментально показано, что разработанные технические средства и методики по применению сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей для зондирования морской среды позволяют успешно решать следующие задачи
• исследование временной структуры широкополосных сигналов при многолучевом распространении с точностью около 1 мс (несущая частота 2500 Гц) и 5 мс (несущая частота 400 Гц),
• исследование и мониторинг полей температур и морских течений в горизонтальной и вертикальной плоскости с точностью около Io С и 10 см/с соответственно (несущая частота 2500 Гц, временное разрешение импульсов, прошедших по различным лучевым траекториям, равно 1 мс) на акваториях размерами в 2 — 3 км,
• высокоскоростную передачу кодированной информации на расстояния до 200 миль с когерентным суммированием акустической энергии, пришедшей по различным лучевым траекториям Такой подход дает вероятность правильного определения переданной информации до 83 %
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах
1 Akulichev V А , Bezotvetnykh V V , Kamenev S I, Kuz'min E V , Morgunov Yu N , Nuzhdenko A V , Penkin S I A Set of Acoustical Systems for Environment Monitoring on the Oceanic Shelf// Proc of the IEEE Conf Oceans'99, MTS/IEEE Seattle, USA 1999 V 2 P 630-636
2 Akulichev V A , Alyushin D A , Bezotvetnykh V V , Kamenev S I, Kuz'min E V , Lee В Ya, Morgunov Yu N , Nuzhdenko A V , Penkin S I, Spindel R С // Proc of the U S -Russia Workshop on Experimental Underwater Acoustics Nyzhny Novgorod, Russia, 2000 P 115
3 Акуличев В A , Безответных В В , Каменев С И , Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н , Нужденко А В , Пенкин С И Акустическая томография для мониторинга Японского моря//Морские технологии Владивосток, 2000 Вып 3 С 151-158
4 Акуличев В А, Безответных В В , Каменев С И, Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н , Нужденко А В , Пенкин С И Акуетогидрофизический комплекс для морских томографических исследований // Приборы и техника эксперимента 2000 № 6 С 112-115
5 Akulichev V А , Bezotvetnykh V V , Kamenev S I, Kuz'min E V , Morgunov Yu N , Nuzhdenko A V , Penkm S I Acoustic Tomography for Monitoring of the Japan Sea II Proc of the Seven Western Pacific Regional Acoustics Conf Kumamoto, Japan, 2000 Kumamoto, Japan, 2000 V 2 P 1159-1163
6 Akulichev V A , Bezotvetnykh V V , Kamenev S I, Kuz'min E V , Morgunov Yu N , Nuzhdenko A V The Japan/East Sea Acoustic Experiment (JESAEX) Project Acoustic Tomography for Coastal Areas // Conf of the Institute of Acoustics, Underwater Acoustic Group ACOUSTICAL OCEANOGRAPHY, Southampton, UK 2001 Southampton, UK 2001 P 315-320
7 Akulichev VA, Bezotvetnykh VV, Dzyuba VP, Kamenev SI, Kuz'min EV, Morgunov Yu N, Nuzhdenko A V Acoustic Tomography of Water Hydrophysical Structure in the Japan Sea // The Fifth Inter Conf on Theoretical and Computational Acoustics, Beijing, China 2001 Beijing, China 2001 P 112
8 Акуличев В A , Безответных В В , Каменев С И , Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н , Нужденко А В Акустическая томография динамических процессов водной среды в шельфовой зоне Японского моря//ДАН 2001 Т 381, №2 С 243-246
9 Безответных В В , Каменев С И, Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н , Нужденко А В Акустический мониторинг динамических процессов морской среды // Сб статей ТОВВМИим СО Макарова, Владивосток,2001 Вып 32 С 16-21
10 Безответных В В , Гладков П В , Дзюба В П , Каменев С И , Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н, Нужденко А В Акустический мониторинг шельфа Японского моря эксперимент и моделирование//XI сессия РАО, АКИН, Москва, 2001 С 271-274
11 Акуличев В А , Безответных В В , Каменев С И , Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н , Нужденко А В Акустическая томография динамических процессов в шельфовой зоне моря с использованием сложных сигналов//Акуст ж 2002 Т 48, №1 С 5-11
12 Безответных В В , Каменев С И , Кузьмин Е В , Моргунов Ю Н , Нужденко А В Акустический трансивер для мониторинга динамических процессов морской среды // Приборы и техника эксперимента 2002 Т 45, № 1 С 117-121
13 Безответных ВВ, Войтенко ЕА, Каменев СИ, Леонтьев АП, Моргунов Ю Н , Половинка Ю А Экспериментальные исследования структуры звукового поля на шельфе Японского моря // Сейсмоакустика переходных зон Мат-лы III Всеросс симпоз 1-5 сентября 2003 г Владивосток / ТОЙ ДВО РАН Владивосток Изд-во ДВГУ 2003 С 146-152
14 Акуличев В А, Безответных ВВ, Войтенко ЕА, Каменев СИ, Леонтьев А П , Моргунов Ю Н Акустические дистанционные измерения течений на шельфе Японского моря // Акуст журн 2004 Т 50, № 5 С 581-584
15 Коренбаум В И , Тагильцев А А , Моргунов Ю Н , Безответных В В , Войтенко Е А Гибкое буксируемое гидроакустическое устройство // Акустика океана докл X школы-семинара акад Л М Бреховских, 25-28 мая 2004 г, Москва М ГЕОС, 2004 С 387-390
16 Коренбаум В И , Тагильцев А А , Моргунов Ю Н , Леонтьев А П , Безответных В В Измерение векторным приемником вертикальных углов прихода сложных сигналов в шельфовой зоне // Акустика океана докл X школы-семинара акад Л М Бреховских, 25-28 мая 2004 г, Москва М ГЕОС, 2004 С 391-394
17 Акуличев В А , Каменев С И , Моргунов ЮН, AB Буренин, В В Безответных, Е А Войтенко Исследование угловой структуры акустического поля в мелком море с использованием комбинированного приемника // Сб тр XVI сессии Российского акустич общ-ва Москва, 14-18 ноября 2005 М ГЕОС, 2005 Т 2 С 200-203
18 Каменев С И , Моргунов Ю Н , Безответных В В , Буренин А В , Войтенко Е А , Стробыкин Д С Экспериментальные исследования угловой структуры звукового поля на шельфе Японского моря // Четвертый Всероссийский симпоз "Сейсмоакустика переходных зон" мат-лы докл Владивосток Изд-во ДВГУ, 2005 С 27-32
19 Каменев СИ, Моргунов ЮН, Безответных ВВ, Войтенко ЕА, Старун ДГ, Стробыкин Д С Экспериментальные исследования гидроакустической телеметрической системы // Четвертый Всероссийский симпоз "Сейсмоакустика переходных зон" мат-лы докл Владивосток Изд-во ДВГУ, 2005 С 32-38
20 В А Акуличев, В В Безответных, А В Буренин, С И Каменев, Ю Н Моргунов, Ю А Половинка, Д С Стробыкин Акустический мониторинг динамики и структуры вод на шельфе Японского моря // Док XI школы - семинара акад Л М Бреховских,
совмещенной с XVII сессией Российского Акустического Общества -М ГЕОС, 2006 С 149-154
21 Акуличев В А , Безответных В В , Буренин А В , Е А Войтенко Е А , Каменев С И Моргунов Ю Н , Половинка Ю А, Стробыкин Д С Термометрия шельфовых зон океана акустическими методами // ДАН 2006 Т 409, № 4 С 543 - 546
22 V A Akulichev, V V Bezotvetnykh, А V Burenin, Е A Voytenko, S I Kamenev Y N Morgunov, Y A Polovinka, and D S Strobykin Remote Acoustic Sensing Methods for Studies in Oceanology//Ocean Science Journal 2006 V 41, №2 P 105-111
23 V A Akulichev, V V Bezotvetnykh, A V Burenin, E A Voytenko S I Kamenev Y N Morgunov, Y A Polovinka, D S Strobykin Acoustic tomography of temperature fields in the Japan sea shelf zone // WESTPAC IX 2006 The 9th Western Pacific Acoustics Conference ISBN 89-92259-00-X 93060 (on CD)
Безответных Владимир Викторович АВТОРЕФЕРАТ
Подписано к печати 03 04 2007 Формат 60x84/16
Уч-изд JI 1 Тираж!00экз Заказ№65
Отпечатано в ТОЙ ДВО РАН 690041, г Владивосток, ул Балтийская 43
Введение.
Глава 1. Аналитический обзор состояния и перспектив развития акустической океанотехники, применяемой в гидрофизических измерениях. Постановка задач.
1.1. Технические средства и методы акустической томографии морской среды.
1.2. Технические средства передачи информации по гидроакустическому каналу.
Выводы и постановка задач на исследование.
Глава 2. Гидроакустические инструментальные средства для зондирования океана сложными фазоманипулированными сигналами
2.1. Акустико-гидрофизический комплекс для исследования и мониторинга динамики и структуры водных масс в Японском море
2.1.1. Методические основы для разработки комплекса.
2.1.2. Формирование М-последовательностей и их свойства
2.1.3. Модуляция с помощью псевдослучайных последовательностей
2.1.4. Излучающие системы.
2.1.5. Приемные системы.
2.1.6. Электронные блоки и системы акустико-гидрофизического комплекса.
2.1.6.1. Обзор современной элементной базы.
2.1.6.2. Генератор сложных фазоманипулированных сигналов.
2.1.6.3. Система единого времени.
2.1.6.4. Корреляционный приемник.
2.1.6.5. Алгоритм вычисления корреляционной функции.
2.2. Система передачи информации по гидроакустическому каналу.
2.2.1. Методические основы разработки системы передачи информации.
Выводы по главе.
Глава 3. Результаты экспериментальной апробации технических решений по разработке систем акустической томографии и звукоподводной связи.
3.1. Эксперимент по акустической томографии в Японском море.
3.2. Эксперименты по звукоподводной связи в Японском море.
3.2.1. Результаты апробации систем звукоподводной связи в июне
2005 года.
3.2.2. Результаты апробации систем звукоподводной связи в августе
2006 года.
Выводы по главе.
Освоение пространств и ресурсов мирового океана - одно из главных направлений развития мировой цивилизации в третьем тысячелетии. С этих слов начинается Новая Морская Доктрина Российской Федерации, утвержденная президентом РФ 27.07.2001 г.
В настоящее время наиболее актуальными являются исследования антропогенного и естественного воздействия на окружающую среду, климатообразования, возможностей прогнозирования природных катаклизмов. Мировой океан играет огромную роль в жизни всей биосферы планеты. Покрывая большую часть поверхности Земли, сложно устроенный и богато населенный живыми организмами, океан активно участвует в процессах функционирования живой оболочки планеты. Поэтому существует острая необходимость изучения и выявления закономерностей происходящих явлений для достижения глубокого понимания и возможности реализации эффективного контроля и воздействия в интересах страны и человечества в целом. Результаты исследований в значительной мере зависят от качества применяемых технических средств.
В связи с изменением геополитической и экономической ситуации в нашей стране изменилась концепция глобального мониторинга Мирового океана. На настоящий момент с учетом реальных возможностей нашей страны и ее национальных интересов, сформулирован ряд основных задач, которые изложены в ФЦП «Мировой океан». В ней предполагается совершенствование методологии проведения океанологических исследований в океане, предусматривающее переход от глобального к региональному мониторингу приоритетных районов Мирового океана и окраинных морей. Исходя из этого, исследование и мониторинг динамики и структуры вод Японского моря, на побережье которого сосредоточены крупные населенные пункты, промышленные и военные объекты России, Японии и Кореи, имеет огромное значение.
Современная тенденция проведения исследований предполагает снижение объемов морских экспедиционных рейсов и возрастание роли долговременных автономных буйковых станций; комплексное использование системы океанологического наблюдения, включающего судовые, авиационно-космические и автономные подводные станции и аппараты.
В настоящее время можно утверждать, что долговременный мониторинг с применением измерительных многофункциональных автоматизированных комплексов с большим сроком автономности становится основным средством изучения водной среды. Но следует отметить, что только массовое применение автономных средств позволит осуществить оперативный контроль и мониторинг акваторий океана.
Подобному применению автономных средств препятствует фактор, обусловленный высокими затратами на закупку, развертывание и последующую эксплуатацию аппаратуры, а также специфика условий эксплуатации автономной аппаратуры, обусловленная необходимостью длительного функционирования в тяжелых условиях. При этом отсутствие доступа к аппаратуре, практически полностью исключает возможность ее профилактического осмотра и последующего ремонта.
Необходимым условием массового применения автономных средств является низкая стоимость производства, транспортировки, развертывания и последующей эксплуатации средств автономного мониторинга, а также высокая надежность их долговременного функционирования в тяжелых эксплуатационных условиях. Ситуация, сложившаяся в данной области показывает, что затраты связанные с обозначенными выше особенностями при прочих равных условиях могут быть значительно снижены за счет существенного уменьшения массы и габаритов аппаратуры и ее энергопотребления, что может быть достигнуто благодаря использованию современной элементной базы, прогрессивных технологий, оригинальных конструктивных и схемотехнических решений. Поскольку основные характеристики в значительной мере зависят от применяемой элементной базы, необходимо отметить, что только за прошедшие десятилетия развития микроэлектроники произошло существенное улучшение таких характеристик технических средств, как вес, габариты, энергопотребление, производительность, надежность и стоимость.
Акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде, бесспорно, относятся к наиболее эффективным технологиям, которые существенно дополняют и расширяют возможности контактных методов измерений океанологических параметров. Это подтверждается активностью в проведении теоретических и экспериментальных исследований возможности применения методов акустической томографии в рамках таких международных программ как АТОС (Акустическая термометрия океанского климата), Arctic АТОС, GOOS (Глобальная система наблюдения за океаном). Примерами применения акустических методов могут служить как долговременные измерения шумов океана в интересах пассивного мониторинга неоднородностей морской среды на шельфе океана, исследования сигналов, излучаемых морскими организмами в целях определения промысловой численности, активно-пассивный мониторинг тепло- и массообмена через проливные зоны для прогноза глобальных изменений климата на планете и т.п. Перечисленные примеры охватывают далеко не все направления возможного применения акустического мониторинга гидрофизических процессов в океане, но даже они наглядно демонстрируют активный научный и практический интерес к таким технологиям. К сожалению, необходимо констатировать, что, несмотря на паритет с зарубежными исследователями в области теоретических аспектов акустической томографии, экспериментальная апробация и внедрение в океанологическую практику новейших методов и средств акустического зондирования морской среды у нас в стране существенно отстают. Недостаточное внимание уделяется также и развитию технических средств для исследований в данной области знаний, без совершенствования которых невозможно более глубокое понимания процессов, происходящих в морской среде. При разработке гидроакустических средств необходимо учитывать не только современные требования к этим видам техники, но и тенденции их развития на перспективу. Они достаточно хорошо прослеживаются в последних разработках ведущих зарубежных фирм, работающих в аналогичных областях. Под общей тенденцией развития гидроакустических средств следует понимать увеличение надежности и долговечности аппаратуры, а также снижения стоимости изготовления и эксплуатации систем.
Обнадеживающие перспективы дальнейшего развития технических средств исследования и мониторинга морских акваторий открывается с применением гидроакустического канала для передачи информации и команд управления на измерительные системы различного применения. Подводная акустическая связь в настоящее время активно применяется для мониторинга окружающей среды с помощью автономных датчиков, дистанционного управления обитаемыми и необитаемыми аппаратами, подводного позиционирования, зондирования морской среды в системах акустической томографии. Достижения при передаче информации по гидроакустическому каналу связи тесно связаны с разработкой и использованием современных аппаратных и программных средств, реализующих алгоритмы обработки с учетом собственных характеристик канала.
Актуальность исследований. Одной из первоочередных и важнейших задач, стоящих в настоящее время перед специалистами подводной акустики, является приоритетное развитие материально-технической и методологической базы для дистанционных исследований и мониторинга океанологических процессов. Правильный выбор комплекса используемых методов и средств измерения для решения проблем технической океанологии, обеспечение научной и технической перспективы развития и эффективности его использования является одной из важнейших современных научно-технических проблем.
В данной работе приведены результаты исследований и технических решений по проблеме практического применения акустического зондирования для создания систем мониторинга динамики и структуры вод в океанской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу.
Актуальность решаемой в данной работе проблемы определяется тем, что акустические средства и методы исследований физических процессов в морской среде относятся к наиболее эффективным технологиям, применение которых позволяет комплексно решать вопросы получения и передачи в центры сбора океанологической информации, существенно дополнив и расширив возможности контактных методов измерений.
В работе рассматриваются технические решения, направленные на развитие и повышение эффективности гидроакустических методов исследований и мониторинга океанологических процессов. Разработанные технические средства и методы могут быть использованы для решения актуальных проблем прикладной гидроакустики и гидрофизики, а именно:
• разработка мобильных систем дистанционного зондирования морской среды с передачей гидрофизической информации по гидроакустическому каналу;
• разработка технических решений для создания низкочастотных систем звукоподводной связи и передачи информации на сотни километров. Существенным является то, что экспериментально обоснованная в многолетних натурных исследованиях эффективность разработанных технических средств и методов позволяет прогнозировать их использование для решения актуальных проблем и в других областях прикладной гидроакустики, не проанализированных подробно (например, для решения задач обороны страны, для охраны заповедников и морских границ, для прогноза миграций и обнаружения промысловых биологических объектов). Акты внедрения материалов диссертации в научных разработках различных организаций страны (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, ОАО «Дальприбор», СПП при Президиуме ДВО РАН) свидетельствуют об их успешном использовании.
Цель работы и задачи исследования
Цель - разработка технических средств и методик для зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами типа М-последовательностей и исследование возможностей их применения в задачах звукоподводной связи и акустической томографии. Задачи:
• разработка и экспериментальная апробация систем генерации и излучения сложных фазоманипулированных сигналов;
• разработка и экспериментальная апробация систем приема и обработки акустических сигналов типа М-последовательностей;
• экспериментальные исследования гидроакустического канала передачи информации в Японском море;
• экспериментальная апробация разработанных методик и средств для исследования динамики и структуры вод на шельфе Японского моря методами акустической томографии.
Научная новизна
Работа содержит новые научные результаты по разработке и апробации в натурных условиях новых способов и технических средств акустического зондирования морской среды для комплексного решения задач акустической томографии океана и звукоподводной связи. Практически все технические решения систем излучения, приема и обработки в реальном масштабе времени сигнальной информации могут быть использованы и в системах томографической диагностики морской среды и для звукоподводной связи.
Впервые в отечественной практике, осуществлена высокоскоростная передача информации по гидроакустическому каналу с когерентным суммированием акустической энергии пришедшей по различным лучевым траекториям на дистанции до 200 миль
Новизна полученных результатов подтверждена сравнением с известным уровнем развития науки и техники и опубликованием в авторитетных отечественных и зарубежных изданиях.
Научная достоверность результатов основана на обширном экспериментальном материале, собранном на протяжении 7 лет в трех морских и шести береговых экспедициях. Достоверность полученных данных обусловлена применением апробированных методик измерений, тщательной калибровкой приемных и излучающих систем, повторяемостью результатов многократных экспериментов и согласованностью экспериментальных и теоретических оценок.
Практическая значимость диссертации определяется разработкой современных акустических приборов и методов, применение которых позволяет решать прикладные проблемы в различных областях гидроакустики. В частности, решены имеющие большое практическое значение задачи генерации, излучения, приема и обработки сложных фазоманипулированных сигналов для создания систем акустической томографии и передачи информации на расстояния в сотни километров. Результатом этих решений стала разработка технических средств, обладающих новыми качественными возможностями, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований динамики и структуры вод в Японском море. Практическая ценность работы подтверждается применением ее результатов при выполнении задач, поставленных в ФЦП «Мировой океан», грантов РФФИ и ДВО РАН, а также внедрением разработок во многих организациях Дальнего Востока. Успешное применение приемно-излучающих систем и методов акустического зондирования морской среды было осуществлено при проведении совместных исследований в Японском море в рамках американо-российско-корейского проекта JESAEX (The Japan/East Sea Acoustics Experiment). Технические и теоретические наработки в вопросах передачи информации по гидроакустическому каналу позволили выиграть конкурс на проведение исследований по оборонной тематике.
Публикации и апробация работы. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 23 работах.
Изложенные в диссертации результаты докладывались на Международном симпозиуме по акустической томографии и акустической термометрии (Токио, 1999), на Международной научно-технической конференции ОКЕАН-99, (Сиэтл, 1999), на Международной рабочей группе по акустической томографии (Нижний Новгород, 1999), на VII региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Кумамото, Япония, 2000), на конференции по акустической океанографии (Саутхемптон, Англия, 2001), на V международной конференции по теоретической и вычислительной акустике (Пекин, КНР, 2001), на XI сессии Российского акустического общества (Москва, 2001), на X школе-семинара акад. JI.M. Бреховских, (Москва, 2004) ,на XVI сессии Российского акустического общества (Москва, 2005), на семинаре акад. Л. М. Бреховских, совмещённой с XVII сессией Российского Акустического Общества (Москва, 2006), на IX региональной акустической конференции по западной части Тихого океана (Сеул, Ю Корея, 2006).
Личный вклад автора. Весь фактический материал, на основании которого подготовлена диссертация, получен в результате разработки технических решений и натурных исследований автора, проведенных самостоятельно или в сотрудничестве с коллегами в экспедициях ТОЙ ДВО РАН. Автор возглавлял экспедиции на НИС «Луговое» в 2005, на ПМШ «Светлана» в 2006 году и береговые экспедиции в 2000 - 2002 годах. Лично автором выполнялись разработка, изготовление и испытание в натурных условиях механических и электронных блоков приемных и излучающих систем. Основные технические решения, вошедшие в диссертацию, получены автором.
На защиту выносятся:
1. Разработанные и экспериментально апробированные технические решения по генерации, излучению, приему и обработке сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей и результаты исследований возможностей их комплексного применения в задачах звукоподводной связи и акустической томографии динамики и структуры водной среды.
2. Экспериментальные результаты передачи информации по гидроакустическому каналу с когерентным суммированием акустической энергии пришедшей по различным лучевым траекториям.
Работа состоит из введения, трех глав и заключения.
Во введении сформулирована тема диссертации, ее цели и задачи, обоснована ее актуальность, научная новизна, достоверность выводов и практическая значимость.
В первой главе проводится обзор отечественной и зарубежной литературы по проблемам акустической томографии динамики и структуры водной среды и передачи информации по гидроакустическому каналу. В первом подразделе анализируются результаты экспериментальных и теоретических исследований возможностей применения дистанционных акустических методов для измерения и мониторинга температурных и соленосных режимов на акваториях различной протяженности, морских течений, приливов и внутренних волн. Рассмотрены современные подходы отечественных и зарубежных специалистов к технической и методической реализации томографических измерений. Во втором подразделе приводится анализ литературных источников, посвященных проблеме передачи информации по гидроакустическому каналу. Данная проблема связана с решением двух основных задач подводной гидроакустики. Это, во-первых, обеспечение звукоподводной связи и передачи команд управления на морские объекты оборонного назначения и, во-вторых, повышение эффективности томографического и океанологического оборудования путем передачи измеренной информации по гидроакустическому каналу в центры сбора и анализа. Особый интерес представили экспериментальные работы Коданева и Захарова по передаче информации на расстояния в сотни километров и материалы научной конференции по звукоподводной связи 2005 года в Волгограде, в которых представлены последние достижения отечественных специалистов в этой области.
Во второй главе приведены результаты методических и технических решений, направленных на создание систем мониторинга динамики и структуры вод в океанской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу с применением акустического зондирования морской среды сложными фазоманипулированными сигналами.
В подразделе 2.1 представлено описание акустико-гидрофизического комплекса, разработанного для мониторинга глобальных изменений полей температур и течений на шельфе и в глубоководной части Японского моря и передачи информации с помощью акустических методов. Подраздел является основным в квалификационной работе, т.к. здесь приведены результаты технических разработок, которые могут применяться в системах томографического мониторинга и звукоподводной связи, а при необходимости комплексироваться. При разработке упор был сделан на применение в мелководных районах донных точечных приемно-излучающих систем. Это актуально для эффективной и надежной работы комплекса в районах с интенсивным рыболовством и сильными течениями.
В подразделе 2.2 предложен оригинальный способ передачи информации по гидроакустическому каналу, основанный на применении сложных фазоманипулированных сигналов для зондирования морской среды с последующим вычислением взаимной корреляционной функции принятого и излученного сигналов.
В третьей главе представлены методики и результаты применения разработанных технических средств в задачах акустической томографии и звукоподводной связи.
В подразделе 3.1 в качестве примера приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований закономерностей формирования и взаимодействия гидроакустических и температурных полей в мелком море на примере шельфовой зоны Японского моря, демонстрирующие возможности дистанционных акустических методов и разработанных средств для измерения и мониторинга температурных полей. Экспериментальные работы проводились на акустико-гидрофизическом полигоне ТОЙ ДВО РАН в заливе Посьет в августе - сентябре 2004 и 2005 года. Показана однозначная связь между временами пробега акустических импульсов в различных слоях диагностируемого волновода с температурой на этих глубинах.
В подразделе 3.2 представлены результаты исследования звукоподводной связи, которые проводились в акватории Японского моря на акустических трассах от полуострова Гамова до банки Кита-Ямато в июне 2005 и августе 2006 года.
В заключении приводятся основные выводы по результатам работы.
Основные выводы и результаты.
1. Разработаны и апробированы в натурных условиях программные и технические решения для создания унифицированного комплекса для акустического мониторинга структуры и динамики вод океана и передачи информации по гидроакустическому каналу:
• программы и устройства формирования и генерации сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей сигналов с точностью задания частоты ± 0,01 Гц;
• система единого времени для синхронизации излучающих и приемных п трактов с относительной нестабильностью 10" с, позволяющая организовать взаимную корреляционную обработку сигнальной информации;
• корреляционный приемник на ПЛИС для свертки принятого сигнала с репликой излученного в реальном масштабе времени;
• программы и устройства анализа и отображения принятой информации.
2. В работе экспериментально показано, что разработанные технические средства и методики по применению сложных фазоманипулированных сигналов типа М-последовательностей для зондирования морской среды позволяют успешно решать следующие задачи:
• исследование временной структуры широкополосных сигналов при многолучевом распространении с точностью около 1 мс (несущая частота 2500 Гц) и 5 мс (несущая частота 400 Гц);
• исследование и мониторинг полей температур и морских течений в горизонтальной и вертикальной плоскости с точностью около 1° С и 10 см\с соответственно (несущая частота 2500 Гц, временное разрешение импульсов, прошедших по различным лучевым траекториям, равно 1 мс) на акваториях размерами в 2 - 3 км;
• высокоскоростную передачу кодированной информации на расстояния до 200 миль с когерентным суммированием акустической энергии, пришедшей по различным лучевым траекториям. Такой подход при скорости передачи 90 бод дает вероятность правильного определения переданной информации до 83 %.
101
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные в диссертации вопросы связаны с особенностями построения программно-аппаратных средств на основе применения сложных зондирующих сигналов для решения задач акустической томографии неоднородностей морской среды и звукоподводной связи. Сложные условия многолучевого распространения акустических сигналов в морской среде (особенно в мелководных акваториях) приводят к замираниям и интерференции, что существенно затрудняет их прием, обработку и анализ. Применение технологии вычисления взаимной корреляции принятых и излученных сложных сигналов позволяет разделить отдельные приходы акустической энергии по различным лучевым траекториям, но накладывает определенные требования на свойства и характеристики зондирующих сигналов и, соответственно, на технические решения при построении программно-аппаратных комплексов, реализующих эту технологию.
Анализ отечественной и зарубежной практики создания акустических систем для мониторинга динамических процессов в морской среде и передачи информации по гидроакустическому каналу показывает, что наиболее подходящими для этих целей являются псевдослучайные шумоподобные сигналы. Техническая реализация подобных систем предполагает тщательные предварительные исследования особенностей распространения акустических волн в предполагаемых районах их функционирования для выбора оптимальных параметров зондирующих сигналов и приемно-излучающих систем (частотный диапазон, длительность посылок, мощность излучения, глубины корреспондирующих точек). Очень важным является учет динамических нагрузок от морских течений на антенные устройства комплекса и их тралоустойчивости. Применение антенн, развитых в вертикальной плоскости, в большинстве акваторий шельфовых и проливных зон морей и океанов неэффективно для долговременных постановок.
В работе представлены результаты поисковых исследований возможности технической реализации мониторинга динамики и структуры вод в шельфовых районах океана с использованием методов акустической томографии и передачи информации по гидроакустическому каналу на расстояния в сотни километров. Многолетний опыт автора по применению различных сложных сигналов для зондирования морской среды позволил определить наиболее эффективный вариант, пригодный для решения задач, поставленных в работе. Это - фазоманипулированные сигналы типа М-последовательностей. Эксперименты по исследованию возможности их применения для измерений полей течений и температур и передачи кодированной информации на акваториях с размерами от единиц до сотен километров показали, что М-последовательности длиной 511 символов, с двумя или четырьмя периодами несущей частоты на символ позволяют наиболее эффективно решать поставленные задачи.
Очень важным направлением технических разработок и исследований было доказательство возможности решения поставленных в работе задач при использовании донных одиночных приемно-излучающих систем, тралоустойчивых и защищенных от воздействия течений.
Особое внимание было уделено разработке схемотехнических решений, направленных на создание в перспективе автономных приборов для решения задач акустической томографии и звукоподводной связи. Для этого были изготовлены и апробированы в натурных условиях:
• приборы синхронизации излучающих и приемных трактов для совместной обработки сигналов;
• малогабаритные, недорогие приборы для взаимной корреляционной обработки принятых и излученных сигналов на основе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).
Для экспериментальной апробации разработанных технических решений и методов было организовано и проведено под руководством автора несколько морских и береговых экспедиций.
1. Годин О.А., Михин Д.Ю. Акустическая томография океанских течений по методу согласованной невзаимности // Акуст. ж., 1996,42,4, С. 501-509.
2. Godin О.А., Mikhin D.Yu. Computer simulation of acoustic tomography of ocean currents in coastal regions // In "Teoretical and Computational Acoustics-97", Singapore, 1999, P. 499-513.
3. Есипов И.Б., Иоханнесен O.M., Наугольных K.A., Овчинников О.Б., Тужилкин Ю.И. Моделирование процесса измерения профиля течений в проливе Фрама методом акустических сцинтилляции // Акустический журнал. 2002, т.48, №6, С. 770 -776.
4. Горская Н.В., Горский С.М., Хилько А.И., Широков В.Н. Многоракурсный акустический мониторинг пространственно локализованных неоднородностей в волноводе // Акуст. ж., 1994, т. 40, № 2, С. 344-345.
5. Бухштабер В.М., Маслов В.К., Трохан A.M. О методе акустической томографии океана // Физика атмосферы и океана, 1984, т.20, № 7, С. 630.
6. Spiesberger J.L., Metsger К., Furgerson J.A. Listening for Climatic Temperature Change in thee Northeast Pacific: 1983-1989 // Acoust. J. Soc. Am., 1992, V. 92, P. 384-396.
7. Гаврилов A.H., Славинский M.M., Шмелев А.Ю. Теоретические и экспериментальные исследования возможности акустической термометрии климатической изменчивости Северного Ледовитого океана // УФН, 1995, т. 165, №7, С. 836-840,
8. Mikhalevsky P.N., Baggeroer А.В., Gavrilov A.N., Slavinsky M. Experiment tests use of acoustics to monitor temperature and ice in the Arctic ocean // EOS, 1995, V.76, No.27, P. 265-269.
9. Абросимов Д.И., Еркин А.Ф., Казарова А.Ю и др. Идентификация лучевых импульсов в лучевой схеме акустической томографии с движущимся приемником //Акуст. ж., 1995, т. 41, № 4, С. 632-635.
10. Михин Д.Ю., Годин О.А., Чепурин Ю.А., Гончаров В.В., Буренков С.В., Алейник Д.Л., Писляков В.В. Динамическая томография Средиземного моря // докл. X школы-семинара акад. Л.М. Бреховских, 1998 г., Москва. М.: ГЕОС, С. 24-30.
11. Фурдуев A.B. О новых способах подводного акустического мониторинга // "Акустика океана". Доклады VIII школы-семинара акад. Л.М. Бреховских. -М.: ГЕОС, 2000. С. 25-29.
12. Stojanovic М. Resent advances in high-speed underwater acoustic communications // IEEE Journal Oceanic Engineering 1996, V. 21, No.2, P. 125-136.
13. Stojanovic M., Catipovic J., Proakis J. Phase coherent digital communications for underwater acoustic channels // IEEE Journal Oceanic Engineering 1994, V. 19, No.l. P. 100-111.
14. Zielinski A., Yoon Young-Hoon, Wu Lixue Performance analysis of digital acoustic communications in shallow water channel // Journal Oceanic Engineering 1995, V. 20, No.4. P. 293-299.
15. Stojanovic M. et al. Adaptive multichannel combining and equalization for underwater acoustic communications // J. Acoust. Soc. Amer. 1993, V. 94. No.3, P. 1621-1631.
16. Yang T.S., A. Al-Kurd M. Environmental impact on phase coherent underwater acoustic communications // Proc. 16th international congress on acoustics Seattle, Washington. 1998, V. l.P.301-302.
17. Spiesberger J., Worcester Fluctuations of resolved acoustic multipath and long range in the ocean // J. Acoust. Soc. Amer. 1981, V. 70, No.2. P. 565-576.
18. Galvin R., Coates R.F.W. Analysis of the performance of an underwater acoustic communication system and comparison with a stochastic model // Proc. Oceans'94, Brest, France Sept. 1994, P.III.478-III.482.
19. Hinton O.R. et al. Performance of a stochastic gradient adaptive beam former for sub-sea acoustic communications // In Proc. EUSIPCO'94. Edinburgh, Sept. 1994, P. 1540-1543.
20. Howe G.S. et al. Sub-sea acoustic remote communications utilizing an adaptive receiving beam former for multipath suppression // Proc. Oceans'94, Brest, France Sept. 1994, P. I.313-I.416.
21. Neasham J.A. et al. Combined equalization and beam forming to achieve 20 bits/s acoustic telemetry for ROVs // Proc. Oceans'94 Ft. Lauderdale, Fl. 1996, P. 988-993.
22. Tarbit S.P.D. et al. Development of a real-time adaptive equalizer for a high-rate underwater acoustic data communication link // Proc. Oceans'94, Brest, France Sept. 1994, P. I.307-I.312.
23. Catipovich J.A. Performance limitations in underwater acoustic telemetry // IEEE Journal Oceanic Engineering 1990, V.15, No.3. P. 205-216.
24. Howe G.S., Hinton O.R., Adams A.E., Holt A.G.J. Acoustic burst transmission of high rate data through shallow underwater channels // Electron. Lett. 1992, V.28. P. 449-451.
25. Fischer J.H., Bennet K.R., Reible S.A., Cafarella J.H. and Yao I. A high data rate, underwater acoustic data-communications transceiver // Oceans'92, Newport, RI. 1992.
26. Loubert G., Capellano V., Filipiak R. Underwater spread spectrum communication transceiver// Oceans'97, Halifax, Nova Scotia, Canada, 1997.
27. Матвиенко Ю.В., Макаров B.H., Кулинченко С.И. О выборе структуры и характеристик аппаратуры гидроакустического канала связи дляподводного аппарата // Морские технологии, Владивосток, Дальнаука, 1996, вып. 1.С. 84-94.
28. Зяблов В.В., Коробков Д.Л., Портной С.Л. Высокоскоростная передача сообщений в реальных каналах // М., Радио и связь, 1991, 288 С.
29. Морозов А.К., Семенович Б.Б. Холмогоров А.Н. Система передачи океанологической информации с научно-исследовательской буйковой станции //Океанология 1987. Т. XXVII. вып. 3., С.525-531.
30. Деревнин В.А., Морозов А.К. Применение широкополосных сигналов в системах гидроакустической телеметрии и телеуправления автономных океанологических станций // Акустический журнал. 1994, т.40, №3. С. 469 -470.
31. Витерби А.Д., Омура Дж.К. Принципы цифровой связи и кодирования // пер. с англ. под ред. Зигангирова К.Ш., М., Радио и связь, 1982, 536 С.
32. Волков А.В., Курьянов Б.Ф., Пенкин М.М. Цифровая гидроакустическая связь для океанологических применений // VII Международная научно-техническая конференция «Современные методы и средства океанологических исследований». М.2001, С. 182-191.
33. Лосев В., Дворников В. Радиотехника и электроника, 1979, т.34, №3, с.630-632.
34. Cohn М., Lempel A. IEEE Transactions IT, 1977, No.l. P. 135-137.
35. Чепурин Ю.А., Гаврилов A.H., Передача данных по подводному акустическому каналу: анализ данных эксперимента ACOUS // Акустика океана, доклады 10-й школы-семинара акад. Л.М.Бреховских, М.: ГЕОС, 2004, С. 222-225.
36. Захаров Ю.В., Коданев В.П. Экспериментальное исследование акустической системы передачи информации с шумоподобными сигналами // Акустический журнал. 1994, т.40, №5. С. 799 -808.
37. Кебкал К.Г., Кебкал А.Г., Яковлев С.Г. Способ цифровой связи по многолучевым гидроакустическим каналам с применением частотномодулированного несущего сигнала // Акустический журнал. 2004, т.50, №2. С. 220 -230.
38. Munk W. Wunsch С. Ocean Acoustic Tomography: a Scheme for Large Scale Monitoring//Deep-Sea Research, 1979 V. 26A. P. 123-161.
39. Петрович H.T., Размахнин M.K. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.:Советское радио, 1969.
40. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.:Советское радио, 1963.
41. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.:Советское радио, 1966.
42. Акуличев В.А., Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко А.В., Пенкин С.И. Акустогидрофизический комплекс для морских томографических исследований // Приборы и техника эксперимента, 2000, № 6. С. 112-115.
43. Акуличев B.A., Безответных B.B., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко А.В. Акустическая томография динамических процессов водной среды в шельфовой зоне Японского моря // ДАН, 2001, т. 381, №2. С. 243-246.
44. Безответных В.В., Гладков П.В., Дзюба В.П., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко А.В. Акустический мониторинг шельфа Японского моря: эксперимент и моделирование // XI сессия РАО, АКИН, Москва, 2001, С. 271-274.
45. Акуличев В.А., Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко А.В. Акустическая томография динамических процессов в шельфовой зоне моря с использованием сложных сигналов // Акуст. ж., 2002, т. 48, № 1.С. 5-11.
46. Безответных В.В., Каменев С.И., Кузьмин Е.В., Моргунов Ю.Н., Нужденко А.В. Акустический трансивер для мониторинга динамических процессов морской среды // Приборы и техника эксперимента, 2002, т. 45, № 1. С. 117-121.
47. Акуличев В.А., Безответных В.В., Буренин А.В., Е.А. Войтенко Е.А., Каменев С.И., Моргунов Ю.Н., Половинка Ю.А, Стробыкин Д.С. Термометрия шельфовых зон океана акустическими методами // ДАН, 2006, т.409, №4. С. 543 546.
48. V. A. Akulichev, V. V. Bezotvetnykh, А. V. Burenin, Е.А. Voytenko, S. I. Kamenev, Y. N. Morgunov, Y.A. Polovinka, and D.S. Strobykin Remote Acoustic Sensing Methods for Studies in Oceanology // Ocean Science Journal, 2006, Vol. 41, No 2. P. 105-111.
49. Винокуров В.И., Ваккер P.A. Вопросы обработки сложных сигналов в корреляционных системах//М.: Советское радио, 1972.
