Разработка и исследование методов измерения координат объектов в толще донных осадков с помощью сверхширокополосных гидроакустических сигналов

Покровский, Юрий Олегович

Разработка и исследование методов измерения координат объектов в толще донных осадков с помощью сверхширокополосных гидроакустических сигналов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Покровский, Юрий Олегович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Таганрог МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка и исследование методов измерения координат объектов в толще донных осадков с помощью сверхширокополосных гидроакустических сигналов»

Автореферат диссертации на тему "Разработка и исследование методов измерения координат объектов в толще донных осадков с помощью сверхширокополосных гидроакустических сигналов"

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ В ТОЛЩЕ ДОННЫХ ОСАДКОВ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Специальность 01.04.06 - Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог - 2007

003052071

Работа выполнена на кафедре теоретических основ радиотехники Технологического института Южного федерального университета в г. Таганроге.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Федосов Валентин Петрович (ГШ ЮФУ, г. Таганрог)

доктор технических наук, профессор Заграй Николай Петрович (ТТИ ЮФУ, г. Таганрог)

Ведущая организация:

кандидат технических наук Степанов Михаил Александрович. (НИИ «БРИЗ» г.Таганрог)

ГНЦ ФГ'УГП «Южморгеология», г. Геленджик

Защита состоится «5 » апреля 2007 г. в 1420 на заседании диссертационного совета Д.212.208.23 в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по адресу:

347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, ауд Е-306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью организации, просим направлять по адресу:

347928, Ростовская обл, I. Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44

Автореферат разослан «_

2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.208.23 профессор, доктор технических наук

Н.Н Чернов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Увеличение масштабов освоения Мирового океана сопровождается расширением круга задач, которые возлагаются на гидролокационную технику и ростом требований к ее эксплуатационным, в первую очередь - метрологическим характеристикам.

Одной из актуальных и, одновременно, сложных задач гидролокации является задача поиска объектов мал ых размеров, погруженных в толщу осадков -«заиленных», К таким объектам относятся «черные ящики» летательных аппаратов, утерянные ценные малогабаритные грузы, приборные контейнеры космических аппаратов, контейнеры с опасными веществами, особенно - несанкционированные захоронения последних, донные мины, затонувшие торпеды и др. В последние годы в связи с активизацией мирового терроризма возросла роль поиска намеренно зарытых в грунт подрывных зарядов, предназначенных для нанесения ударов по таким объектам, как портовые сооружения, плавучие атомные электростанции, морские буровые, нефтяные терминалы и т. п.

Основные препятствия для эффективного решения существующими техническими средствами задач обнаружения таких объектов и измерения их координат обусловлены относительно небольшими размерами искомых объектов, наличием большого частотно-зависимого поглощения акустических волн в донных осадках, сильным влиянием реверберационной помехи, наличием, в большинстве случаев, в зоне поиска большого числа ложных объектов. Сочетание указанных факторов настолько неблагоприятно, что для преодоления их влияния необходимо применение нетрадиционных путей. В настоящее время из них известен только один — применение сверхширокополосных (СШП) сигналов. Это единственный вид сигналов, спектр которых может быть расположен в низкочастотной области и одновременно иметь большую ширину и, соответственно, высокое разрешение. Применение СШП сигналов открывает ряд качественно новых возможностей решения задач радио- и гидролокации, недоступных при использовании обычных сигналов, например, определения формы отражающих объектов, гранулометрического состава донных осадков и т.п.

Одним из факторов, сдерживающих развитие СШП гидролокации, является недостаточный уровень развития методики оценки потенциально возможных и технически достижимых характеристик СШП гидролокаторов. Необходимой составляющей такой методики являются математические модели СШП зондирующих сигналов, эхосигналов, помех. Для их разработки требуется систематизация сведений о существующих математических моделях СШП сигналов, исследование степени их соответствия физическим свойствам реальных сигналов, разработка новых моделей, ориентированных на применение в инженерных расчетах.

Современные гидролокаторы (ГЛ) должны не только удовлетворять заданным метрологическим характеристикам, но и обеспечивать достаточно высокую производительность поиска, так как области дна, в пределах которых может находиться искомый объект, в большинстве реальных ситуаций превышают по площади величину эквивалентной площади рассеяния объектов в 104 - 10* и более раз. Наибольшей производительностью обладают гидролокаторы секторного и бокового обзора, наименьшей - средства вертикального зондирования: профилографы обычного типа и параметрические.

Выпускаемые С111П профилографы предназначены для контроля морского дна и толщи осадков и практически непригодны для обнаружения локальных объектов из-за низкой разрешающей способности по горизонтальным (угловым) координатам. СШП параметрические гидролокаторы имеют высокое разрешение в горизонтальном направлении, однако для обеспечения с их помощью высокой производительности требуется создание специальных многоканальных параметрических излучателей из-за того, что параметрические излучатели имеют очень узкие характеристики направленности.

При наклонном зондировании и расположении искомого объекта в толще осадков возникает проблема определения его координат. Применение для этого обычных алгоритмов, разработанных для случая расположения объекта в толще воды или на дне, формально недопустимо, так как при этом принципиально невозможно однозначное решение. Известный метод однозначного определения координат заиленных объектов с применением параметрических излучателей, предложенный Ишутко А.Г., приводит к тому, что для осуществления тракта излучения необходимо решить ряд технических проблем создания параметрических излучателей с большой абсолютной энергией излучения, что может оказаться невозможным при больших заданных глубинах обнаружения. Кроме того, техническая реализация приемного тракта такой гвдролокационной станции (ГЛС) оказывается намного сложнее, чем в ГЛС обычного типа. Разработка методов измерения координат малоразмерных объектов, находящихся в осадках, с помощью СШП гидролокаторов бокового обзора без применения параметрических антенн в настоящее время в достаточной степени не решена.

Актуальность поставленной проблемы определяется

• необходимостью создания и совершенствования современных гидроакустических средств, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их метрологическим характеристикам и производительности при поиске малоразмерных объектов в толще донных осадков;

• слабой теоретической и экспериментальной изученностью особенностей применения СШП сигналов в гидролокации;

• отсутствием в полном объеме разработанных методов и алгоритмов измерения координат малоразмерных заиленных объектов и инженерной методики расчета основных характеристик ГЛС, осуществляющих их поиск.

Целью работы является исследование проблемы измерения координат заиленных объектов при наклонном гидролокационном зондировании, определение теоретических и технических возможностей и условий ее решения при использовании СШП сигналов, разработка методов и алгоритмов измерения, ориентированных на различные условия поиска и технические особенности построения ГЛС.

Для достижения этого необходимо решить следующие задачи:

- на основе анализа задачи поиска малоразмерных объектов, находящихся в толще осадков, найти и обосновать необходимые и достаточные условия для того, чтобы задача измерения координат указанных объектов была разрешима однозначно без применения многоканальных параметрических антенн;

— провести выбор и обоснование моделей СШП зондирующих сигналов с " целью их использования для инженерных расчетов потенциальных характеристик

ГЛС и в математической модели СШП гидроакустического канала;

- разработать и обосновать математическую модель СШП гидроакустического канала, на ее основе найти аналитическое выражение для эхосигнала от заиленного объекта, удобное для анализа влияния поглощения в среде на основные характеристики СШП сигнала;

- исследовать особенности случайных помех при приеме СШП эхосигналов и принципиальные возможности реализации алгоритмов согласованной фильтрации;

- синтезировать алгоритмы измерения координат объектов при использовании СШП сигналов для различных режимов наклонного зондирования, провести анализ точностных характеристик исследованных методов измерения координат;

- провести исследование разрешающей способности СШП эхосигналов с учетом влияния поглощающей среды с целью определения потенциально возможной максимальной глубины погружения объекта в грунт, при которой возможно обнаружение объекта и измерение его координат;

- провести анализ влияния ширины спектра СШП сигналов на диаграмму направленности антенн и, соответственно, на угловое разрешение;

- создать пакет прикладных программ, который может быть использован как основа системы цифровой обработки сигналов в приемном тракте СШП ГЛС.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием теории лучевой акустики, теории линейных цепей (теории четырехполюсников), теории спектрального анализа сигналов, теории случайных процессов, теории оптимального обнаружения. Числовые расчеты и компьютерное моделирование выполнены с использованием численных методов прикладной математики и методов имитационного моделирования на языке высокого уровня программирования (язык среды МаНаЬ).

Научная новизна

1. Проведен теоретический анализ возможности использования известных моделей сигналов в качестве моделей сверхширокополосных гидролокационных сигналов с целью использования этих моделей для создания методики инженерного прогнозирования характеристик СШП гидролокаторов.

2. Построена математическая модель СШП гидроакустического канала, предназначенная для теоретического анализа процессов, инженерных расчетов основных параметров ГЛС в диалоговом режиме и для моделирования, эквивалентного полунатурным экспериментам.

3. Получены аналитические выражения для основных характеристик СШП зондирующих и эхосигналов от заиленных объектов. Они взаимно согласованы и преобразованы в удобную конструктивную форму. Для приближенных выражений найдены границы их применимости и оценки погрешности приближений.

4. Разработаны новые алгоритмы измерения координат, не требующие знания угла наклона падения акустических волн, использования нелинейных свойств среды или специального маневрирования носителя ГЛС. За счет введения дополнительных конструктивно простых антенн они позволяют получать не только оценки координат, инвариантные к неизвестным акустическим параметрам осадков, но и оценки скорости звука в осадках.

5. Выведены аналитические зависимости для оценок погрешностей измерения разработанных ранее и новых алгоритмов определения координат заиленных объектов

6. Проведена оценка потенциального пространственного разрешения эхо-сигналов от заиленных объектов. Выведены аналитические выражения для квадратичного интервала корреляции эхосигнала как функции расстояния, пройденного сигналом в осадках. Найдены предельные соотношения (асимптоты) разрешения по дальности на заданной глубине. Доказано, что при использовании СШП сигналов угловое разрешение оказывается не хуже, чем для обычных сигналов, при большем подавлении уровня боковых лепестков.

Практическая значимость заключается в развитии теоретической базы и инженерной методики расчетов СШП гидролокаторов, в частности:

- доказано, что применение СШП зондирующих сигналов для обнаружения объектов в толще донных осадков приводит к относительному уменьшению потерь энергии сигналов в грунте в 10-100 раз, улучшению разрешения в 20-1,5 раза в зависимости от глубины погружения объекта в осадки, центральной частоты и ширины спектра зондирующих сигналов;

- разработаны ориентированные на инженерные расчеты математические модели СШП зондирующих и эхосигналов, водной среды, осадков и помех, необходимые для корректного инженерного прогнозирования потенциальных метрологических характеристик ГЛС поиска;

- разработан новый метод измерения координат объектов в толще осадков при наклонном зондировании без определения угла падения акустических волн и без использования параметрических излучателей, который более эффективен, чем известные методы, поскольку результаты и точность измерения координат не зависят от скорости звука в осадках. Техническая реализация этого метода значительно проще, чем известного метода с использованием параметрических излучателей.

Основные положения, выносимые на защиту

1.Математические модели сверхширокополосных гидролокационных сигналов и результаты исследования их свойств.

2. Математическая модель СШП гидроакустического канала и полученные на ее основе математические модели СШП эхосигналов от заиленных объектов с учетом поглощения энергии в осадках.

3. Реализация алгоритмов согласованной фильтрации при обнаружении СШП эхосигналов от заиленных объектов на фоне гидродинамических шумов и реверберационной помехи для случая наклонного зондирования.

4. Методы измерения координат, не требующие определения угла наклона падения волн и использования параметрических излучателей или специального маневрирования носителя ГЛС. Аналитические зависимости погрешностей измерения координат для известных и новых алгоритмов.

5. Методика расчета потенциально достижимых характеристик пространственного разрешения СШП гидролокаторов.

Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации модели СШП сигналов, среды, помех, алгоритмы измерения координат, методики определения потенциальных характеристик ГЛС использовались в госбюджетной научно-исследовательской работе кафедры ТОР ТТИ ЮФУ в г. Таганроге. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик, НКБ ЦОС ЮФУ, используются в учебном процессе подготовки студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.

Апробация работы. Основные научные и практические положения работы представлялись и обсуждались на следующих научно-технических конференциях различного уровня:

— Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире», - Таганрог, ТРТУ, 2006

- Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» - Таганрог, ТРТУ, 2005

— Седьмой Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004, Санкт-Петербург, Россия.

- Международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике». - Таганрог, ТРТУ, 2003

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 статей и 1 тезис доклада.

Структура диссертационной работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 5 приложений. Она содержит 208 стр., изложена на 148 стр. машинописного текста, имеет 54 рис., 1 табл., список литературы из 93 наименований, приложения размещены на 14 стр.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и научная новизна работы, сформулирована цель и задачи исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения о научной новизне, практической ценности работы и апробации результатов, а также дан краткий обзор содержания диссертации.

В первой главе задача измерения координат рассматривается как часть обшей проблемы поиска объектов, представляющей совокупность задач обнаружения, пространственного разрешения, измерения координат и классификации. Для измерения координат необходимо вначале решить задачи обнаружения и пространственного разрешения объекта. Показано, что особенностью обнаружения и пространственного разрешения гидроакустических малоразмерных объектов, находящихся в среде с поглощением - в толще донных осадков, является необходимость использования СШП сигналов. Обосновывается необходимость применения наклонного зондирования для их поиска. Проведен обзор литературных данных о гидроакустических средствах близкого назначения. На основе проведенного анализа выбрано направление исследования и сформулированы цель и задачи работы.

Вторая глава посвящена исследованию математических моделей сверхширокополосных сигналов. К ним относятся сигналы, коэффициент широкополосно-сти которых у _ ЛсОэ, где Да, - энергетическая ширина спектра, лежит в пределах ео0

от 0,5 до 2 Были исследованы как известные, так и новые модели с точки зрения возможности использования их для описания сверхширокополосных локационных сигналов: радиоимпульс с прямоугольным спектром, простой радиоимпульс с прямоугольной огибающей, простой радиоимпульс с экспоненциальной огибающей, модифицированный гауссов радиоимпульс, моноцикл Гаусса - производная от гауссова видеоимпульса. Для этих сигналов было доказано выполнение условия распространения (первый постулат Релея - закона сохранения полного импульса

волны | s(t)dt = 0 )> выполнение условий отражения от объекта (второй и третий

постулаты Релея, связанные со свойствами первой и второй производных модуля спектральной плотности сигнала) и проверено выполнение условия физической реализуемости (критерий Пэли-Винера).

Проведен подробный теоретический анализ и выведены в общем случае без узкополосных упрощений аналитические выражения для основных параметров, определяющих потенциальные характеристики ГЛС при использовании рассматриваемых моделей СШП сигналов: - спектральной плотности, энергии, энергетической ширины спектра, корреляционной функции и квадратичного интервала корреляции г,,, принятого за меру разрешающей способности сигнала

. = О_. (I)

ЩО)

В третьей главе рассматриваются вопросы преобразований СШП сигналов при распространении в среде с поглощением и отражении от объектов. Для этого разработана и обоснована математическая модель СШП гидроакустического канала в виде каскадно соединенных блоков с заданными передаточными характеристиками. Она позволяет определить модель эхосигнала на входе устройства обработки как результат прохождения модели зондирующего сигнала через передающую и приемную антенны, водную среду и фунт, преломления на границах вода/грунт и грунт/вода и отражения от заданного объекта.

В рамках линейной теории модель эхосигнала в спектральной области определится как произведение всех моделей блоков гидроакустического канала

5,(7«; = 80(]со)-КИА(]т)-К1(]с))■ К2г(]о>)• Котр(]с,)-КПрА(]о)> (2) где БоОы) - модель излучаемого (зондирующего) сигнала, К^со), Кпр0'а>)- соответственно модели излучающей и приемной антенн; Кв0'(о), Кг0'а>)- математические модели среды распространения - воды и осадков, соответственно; К^Ды), - модель отражающего объекта.

Выведены аналитические выражения для математических моделей каждого блока. В соответствии с (2) определено выражение для спектральной плотности эхосигнала, отраженного при наклонном зондировании от объекта в грунте. Геометрия ситуации представлена на рис. I. В случае, когда обратимая антенна в дальней зоне имеет характеристику направленности кА(]о),0,<р), размеры объекта таковы, что коэффициент отражения от него можно считать частотно независимым и равным /?„, спектральная плотность эхосигнала имеет вид:

Рис. 1

= А30 (]тЖ;1(]т.в.<р)ех!^- \р.(е>)г. + р,(со)г,]-]2к„

п-И

СОХ 00 ^""-•»"'Ч

■(3)

где ро. С0 -плотность и скорость звука в воде, п _ £о_ - коэффициент преломления,

С,

во - угол падения; Рд т, н , nh , . 2mR, ,

т = -2- ка=— г,"-- г, = --г А --

Р. С0 cosö ' .¡^~sm26 pW

Г = H( meóse, + Jn' - W в0)-\ —i—+--Л-L—]_!_ + _ ,----,—,„

V " Ц«иЧ H(¿-sin1 Baleóse, H(n -sin 00)

ße(a>), ß2(со) - коэффициенты, учитывающие частотно-зависимое поглощение

в воде и в грунте. Для учета поглощения в воде использована формула Марша и Шулкина, которая после перевода ее параметров в основную систему единиц имеет вид ßB(e>) = ав ■ о2, где ае сложным образом зависит от параметров воды - температуры, солености и давления. Коэффициент поглощения в грунте описывается выражением ßJo) = a2 -[<а|- Исследованы зависимости частотного поглощения в

воде ] KB(jm,rB )\} = е~°лв>1 и в грунте | Кг(]а,гг р= т пройденного сиг-

налом расстояния. Показано, что при Н<100м поглощением в водной среде можно пренебречь.

Для анализа влияния среды на свойства эхосигнала получено его аналитическое выражение в случае, когда зовдирующий сигнал имеет прямоугольный спектр. Результаты анализа показывают, что при увеличении глубины объекта спектр эхосигнала становится все более ассимметричным, его высокочастотные составляющие подавляются, причем максимальное значение модуля его спектральной плотности соответствует нижней граничной частоте спектра. Длительность СШП эхосигнала увеличивается в 2aJhA<o Р33 по сравнению с длительностью, зондирующего сигнала.

Энергетическая ширина спектра Аа/, эхосигнала, полученного при отражении от объекта зондирующего сигнала с прямоугольным спектром, не зависит от центральной частоты и уменьшается с увеличением глубины, а также с увеличением ширины спектра Аса излучаемого сигнала в соответствии с выражением

¡-е'2"^ (4)

áeoh=----w

агп

Относительные потери энергии эхосигнала по отношению к энергии зондирующего сигнала уменьшаются с увеличением ширины спектра и в зависимости от глубины объекта определяются по формуле

е = ЫИ = £___(/ _ (5)

EJO) 2a,Aah v '

Выигрыш энергии при использовании СШП сигналов по сравнению с узкополосными сигналами составляет

и ámh . . ., ч

2a,AmhK '

Выигрыш не зависит от центральной частоты и при постоянной ширине спектра увеличивается с глубиной к, при постоянной глубине он увеличивается с расширением спектра..

Аналогичное исследование преобразований зондирующего сигнала в гидроакустическом канале было выполнено и для других видов моделей с помощью численных методов. Основные закономерности были такими же - смещение спектра в область нижних частот за счет подавления высокочастотных составляющих средой, одновременное смещение центральной частоты, которое пропорционально пройденному расстоянию и ширине спектра зондирующего сигнала, максимальное смещение ее для СШП сигналов составляет половину энергетической ширины спектра, расширение длительности сигнала и сужение энергетической ширины спектра.

В работе был проведен анализ основных помех при обнаружении объектов, погруженных в осадки, которые следует учитывать при приеме эхосигналов от них - гидродинамические шумы и реверберационная помеха, приведены формулы для инженерных расчетов спектральной плотности мощности этих помех. Выведены аналитические выражения для передаточной характеристики согласованного фильтра и для отношения сигнал/шум на его выходе при обнаружении эхосигналов на фоне этих помех в общем случае наклонного зондирования с учетом поглощения в воде и в осадках. Показано, что для того, чтобы данный фильтр был согласованным, его нужно перестраивать во времени, т.е. такой фильтр должен быть адаптивным к процессу изменения формы эхосигнала с увеличением расстояния до искомого объекта.

В четвертой главе рассмотрены вопросы измерения координат малоразмерных заиленных объектов.

В общем случае при однопозиционной локации измеряются: время запаздывания 1С эхосигнала относительно зондирующего сигнала и направление прихода эхосигнала (в сферической системе координат - углы <р, в). Величины 1а<р, в функционально связаны с горизонтальными координатами объекта хц = хм, уч = ум и глубиной А его погружения в осадки, координатами- центра антенны хл, ул Н, параметрами среды Со, Сд, рд, рд. Данные навигационных систем носителя хА, ул считаются известными. Математически задача нахождения координат объекта сводится к решению системы трех уравнений с тремя неизвестными хц, у,г А. Если известны Сд, рд, Рд , то система однозначно разрешима относительно у,г А. Однако, в большинстве реальных ситуаций информация о значениях акустических параметров осадков в районах, где производится поиск объектов, отсутствует, поэтому система не может быть решена однозначно. При характерных для режимов поиска дальностях можно пренебречь рд, Рд и ввести коэффициент преломления п. В результате этого система получает вид

При измеренных гс, <р, в и известной высоте антенны над дном Н получаются следующие алгоритмы измерения координат А, гг, хч, у,,-

(7)

. 2 сох'в) ГГ 2пг хц = гг ^ <р' уч = г,- ¡т <р >

(8)

где г-;— горизонтальная дальность до объекта (рис. 1).

В полученные независимые уравнения (8)-(9) входит коэффициент п, истинное значение которого неизвестно, поскольку неизвестны акустические параметры осадков. Это означает, что система не имеет решения и принципиально невозможно определить координаты гг, И объекта по результатам однократного зондирования.

Как было отмечено выше, для измерения угла в требуется применение достаточно сложных излучателей. Поэтому весьма актуальным является разработка алгоритма нахождения координат х,,, уч, А без измерения в. Один из таких алгоритмов основан на использовании измерений при двух положениях ГАС в пространстве. Геометрические соотношения при локации объекта из двух точек пространства показаны упрощенно на рис.2

Если измеряются Я/. Н2, 9/, у* */, у/, х* Уъ '/. <2 > то можно составить систему уравнений относительно неизвестных х^ у^ гл, гр,, из которой определяются углы в2„ а затем рассчитываются глубина погружения объекта в осадки й и коэффициент преломления п. Однако для реализации рассмотренного алгоритма необходимо применять либо сканирование пространства узкой в горизонтальной плоскости характеристикой направленности антенны, либо многолучевые системы бокового обзора, т.е. достаточно сложные ГЛ.

Рис.2

Поэтому предложен метод измерения координат, не требующий знания угла наклона падения акустических волн зондирующих сигналов, использования нелинейных свойств среды или специального маневрирования носителя ГЛС. Он основан на использовании дополнительной приемной антенны. Техническая реализация этого алгоритма не приводит к чрезмерному усложнению ГЛС, поскольку дополнительная приемная антенна может иметь простую конструкцию. Геометрия ситуации иллюстрируется рис.3

Рис. 3 Рис. 4

В этом случае получаем следующую систему уравнений

F - H -_- Q-

' 2 cosO, u,

C.t,

F, = C„t, -

H+a n'h

-+—;

COS02 и,

Ft=rr-(H + a)tg0,+

h sinff,

U, = -Jn' -ЦП1 в, u¡ = ijn1 -sin1 в,

Общее число неизвестных - пять: в¡, в2, п, гр, к Исключая из первых двух уравнений системы (16) 0/, из третьего и четвертого - в2, получим систему уравнений относительно трех неизвестных гг. А, п, так что она формально не разрешима однозначно. Однако в тех случаях, когда акустические характеристики осадков в зоне поиска известны (например, при мониторинге акватории) ГЛС с двумя антеннами может быть эффективным. Если характеристики осадков в зоне поиска известны (например, при мониторинге), то /у, А определяются однозначно. Например, при п-1 получим:

2а'

i Г 1,2 fo'l'CQllh-О2

■-y\!c°'i---э--

—#•

(Н)

2 4 а'

Другой синтезированный алгоритм позволяет не только получать оценки координат, инвариантные к неизвестным акустическим параметрам осадков, но и скорость звука в осадках. Сущность его состоит в использовании трех антенн (см. рис.4). В этом случае появляется возможность составить систему из 6 уравнений. ОЛ Я n'A

-=о,

2 cosO, и, Ft-rr-H tgO, - hflUËL = о,

F = C, C°'i H+a> n'h p. r> 0 1 , _ ». 2 cosOj u2

C„t, H-a, n'h_

---S---

2 cosO, u,

F. =r,-(H-a,),80,-^ = 0.

(12)

где uh u¡ определяются (10); u¡ = j„2 -sin2 в¡ •

В этой системе известны H,a¡,a2,C0,ti,t2,l3> неизвестные -el,62,0¡,n,h,rr, т.е. число уравнений равно числу неизвестных и система однозначно разрешима. Следует отметить, что еб решение позволяет найти не только координаты г, h объекта, но и как побочный результат, скорость звука Сд в осадках. Информация об этом параметре может иметь самостоятельную ценность

В работе проведен анализ погрешностей известных и предложенных автором методов измерения координат заиленных объектов.

В пятой главе проводится исследование разрешения СШП эхосигналов. В качестве меры разрешения сигналов по дальности выбран квадратичный интервал корреляции. Обоснована целесообразность этого выбора.

Был проведен теоретический анализ разрешающей способности сигналов по дальности. Он показал, что разрешающая способность эхосигналов, полученных при отражении от объекта сверхширокополосных зондирующих сигналов, убывает с глубиной погружения объекта в грунт, причем скорость падения зависит от ширины спектра излучаемого СШП сигнала.

Проведенный теоретический анализ зависимости разрешения эхосигналов от глубины погружения объектов позволил определить аналитическое выражение для асимптот, к которым стремятся эти зависимости при расширении спектра и увеличении глубины. Анализ был произведен для двух видов сигналов - радиоимпульс с прямоугольным спектром и простой радиоимпульс с прямоугольной огибающей. Для сигнала с прямоугольным спектром разрешение по дальности изменяется с расстоянием до объекта по формуле

= Сож0дк l+e'W" . (13) * 4п 1_е-'>ДЛаН На рис. 5 представлены графики этих зависимостей, рассчитанные для сигналов, ширина спектра А/э которых лежит в диапазоне от 1,25 до 16 кГц.

На основании проведенного сравнительного анализа разрешения по дальности СШП эхосигналов от объектов в толще осадков можно утверждать, что для сигналов любой формы при большой глубине погружения объекта в грунт потенциально достижимая на этой глубине -разрешающая способность практически не зависит от ширины спектра-зондирующего сигнала. Найденные асимптотические зависимости разрешения эхосигналов при увеличении ширины спектра и глубины погружения объекта, доказывают, что разрешающая способность определяется только физическим параметром поглощения в среде Рд и глубиной h.

Анализ влияния ширины спектра СШП сигнала на разрешение по угловым координатам на примере исследований обобщенной пространственно-энергеггической характеристики R¿(a) для различных моделей СШП сигналов показал, что с увеличением широкополосное™ этих сигналов проявляется явная тенденция к сужению главного лепестка характеристики направленности и возрастанию затухания в области боковых лепестков. Проведенные расчеты показали, что эти закономерности не зависят от значения ширины характеристики направленности cto,7. Поэтому угловая избирательность ГЛС с СШП зондирующими сигналами может быть не хуже, чем ГЛС с традиционными сигналами.

В заключении сформулированы основные научные и практические результаты работы

В приложении приводится описание и текст прикладных программ расчета основных параметров СШП зондирующих и эхосигналов.

Paspetueme &rR

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ известных на настоящий момент методов и алгоритмов однозначных измерений координат заиленных объектов. Показано, что эти методы и алгоритмы либо несовместимы с высокопроизводительными гидролокационными системами типа ГБО или им подобными, либо технически достаточно сложны, либо требуют для проведения измерений специального маневрирования носителя измерительной системы. Кроме того, при известных методах результаты измерений координат зависят от значений скорости звука в осадках, что ухудшает реальные точностные характеристики искомых оценок.

2. Предложены, обоснованы и исследованы новые методы измерения координат заиленных объектов, свободные от недостатков известных и ориентированные на использование в высокопроизводительных ГЛС, которые не требуют использования нелинейных свойств среды и реализуются относительно простыми техническими средствами. Один из них не только инвариантен к акустическим параметрам осадков, но и позволяет кроме искомых оценок координат получать одновременно оценку среднего значения скорости звука в осадках.

3. Аналитическим путем и методом математического моделирования исследованы метрологические характеристики известных и новых методов измерения координат и показано, что приемлемые точности измерений могут быть получены только при использовании СШП сигналов.

4. Проанализированы существующие и разработаны новые математические модели гидролокационных сверхширокополосных зондирующих сигналов, универсальные в том смысле, что они одинаково пригодны для моделирования как обычных, так и СШП сигналов. При этом особое внимание уделялось соответствию моделей физическим принципам излучения, отражения и закону сохранения импульса. Получены аналитические выражения для характеристик СШП моделей, определяющих потенциально достижимые основные параметры СШП гидролокатора.

5. Разработана математическая модель СШП гидроакустического канала, позволяющая проведение как теоретические, так и полунатурные исследования процессов обнаружения заиленных объектов и измерения их параметров.

6. С помощью модели гидроакустического канала получены аналитические выражения для спектральной плотности и формы эхосигнала, выведенные в общем случае при наклонном зондировании с учетом поглощения в осадках. Проведено теоретическое исследование влияния поглощения в осадках на свойства сверхширокополосных сигналов. Выведены аналитические выражения и из их анализа установлены следующие закономерности:

- В результате частотнозависимого поглощения в грунте происходят потери энергии эхосигналов, которые увеличиваются с пройденным расстоянием в осадках и с увеличением центральной частоты. Расширение спектра позволяет снизить эти потери, что особенно эффективно для больших глубин. Потери энергии зависят от параметра среды - коэффициента поглощения - и увеличиваются с его ростом.

- За счет подавления высокочастотных составляющих спектр эхосигналов смещается в область нижних частот, одновременно смещается и центральная частота, на которой происходят осцилляции эхосигнала. Смещение центральной частоты пропорционально пройденному расстоянию в среде и ширине

спектра зондирующего сигнала, максимальное смещение для СШП сигналов составляет половину энергетической ширины спектра

- Следствием смещения спектра СШП сигналов в область нижних частот является увеличение длительности эхосигналов, которое пропорционально пройденному сигналом расстоянию и его энергетической ширине спектра.

- Ширина энергетического спектра СШП сигналов с увеличением глубины объекта резко уменьшается, причем скорость ее радения пропорциональна ширине энергетического спектра зондирующего сигнала. В пределе энергетическая ширина спектра эхосигнала стремится к асимптотической кривой, зависящей только от глубины объекта.

7. Проведен анализ основных помех при обнаружении объектов - гидродинамических шумов и реверберационной помехи, приведены формулы для инженерных расчетов их спектральной плотности мощности

8. Рассмотрены основные энергетические соотношения при обнаружении СШП эхосигналов в случае наклонного зондирования: выведены аналитические выражения для передаточной характеристики согласованного фильтра и для отношения сигнал/шум на его выходе, показано, что для оптимальной фильтрации необходимы априорные сведения о физических параметрах осадков и фильтр должен быть перестраиваемым во времена

9. Проведен анализ разрешения по дальности СШП гидролокаторов. Получены аналитические формулы зависимости разрешения по дальности от расстояния (глубины при вертикальном зондировании) и определены асимптоты, к которым стремятся эти зависимости при расширении спектра и увеличении глубины. Показано, что для сигналов любой формы при большой глубине погружения объекта в фунт потенциально достижимая на этой глубине разрешающая способность практически не зависит от ширины спектра зондирующего сигнала и определяется только физическими параметрами среды и глубиной погружения объекта в осадки.

10. Проведен анализ влияния ширины спектра СШП сигнала на разрешение по угловым координатам, который показал, что применение СШП сигналов не ухудшает угловую избирательность ГЛС.

11. Разработан пакет прикладных программ для цифровой обработки СШП сигналов

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Махонин Г.М., Покровский Ю. О., Черниховская Г. Л. Влияние ширины спектра гидролокационного сверхширокополосного сигнала на его пространственно-энергетические характеристик. "Методы и устройства передачи и обработки информации": Межвуз.сб.науч.тр. Вып. 4. - СПб : Гидрометеоиздат, 2004, с.24-31.

2. Покровский Ю О., Федосов В.П., Черниховская Г Л К вопросу измерения координат объектов, погруженных в осадки. Известия ТРТУ Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, №9, с. 3-8.

3 Покровский Ю.О , Черниховская Г.Л. Разрешение эхосигналов в грунте. Известия ТРТУ. Таганрог. Изд-во ТРТУ, 2004, №8, с. 19-20

4 Покровский Ю. О., Черниховская Г Л. Разрешение гидроакустических эхосигналов от цели в грунте. Труды Седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004. Санкт-Петербург, Рос-

сия Приложение к научно-техническому сборнику «Гидроакустика». - ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», С-Петербург, 2004. - с. 368-371

5. Покровский Ю. О, Черниховская Г. Л Влияние диаграмм направленности антенн на пространственные характеристики сверхширокополосных гидроакустических сигналов Труды Седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004, Санкт-Петербург, Россия. Приложение к научно-техническому сборнику «Гидроакустика»..-ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», С-Петербург, 2004 - с 372-376.

6. Покровский Ю.О. Анализ моделей локационных сверхширокополосных сигналов. Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 - Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 49-57.

7. Покровский Ю.О, Черниховская Г.Л. Определение модели гидролокационного сверхширокополосного эхосигнала от объекта в осадках. Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 - Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 57 - 63.

8. Покровский Ю.О, Черниховская Г.Л. Модель сверхширокополосных локационных сигналов в виде производной от гауссова видеоимпульса Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 - Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 63 - 67.

9. Черниховская Г.Л., Федосов В.П., Покровский Ю.О. Алгоритмы измерения координат объектов малых размеров, погруженных в морские осадки с использованием двух и трех антенн. Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 - Таганрог' ТРТУ, 2006, с. 89-95.

10. Покровский Ю. О. Применение радиоимпульсов с прямоугольной огибающей для обнаружения объектов в среде с поглощением. Материалы международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» - Часть 2- Таганрог: ТРТУ, 2005, с.63-72.

11. Покровский Ю.О, Черниховская Г.Л Простая экспоненциальная модель сверхширокополосных гидроакустических сигналов. Материалы международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» - Часть 2 — Таганрог: ТРТУ, 2005, с.72-77..

12 Мусатова ММ, Покровский ЮО., Черниховская Г.Л. Моделирование гидролокационных сверхширокополосных сигналов с учетом затухания в воде и в грунте. Материалы международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» - Часть 2- Таганрог. ТРТУ, 2003, с. 40-47.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работах [1, 5] предложена методика расчета и проведены вычисления обобщенной энергетической функции для конкретных моделей СШП сигналов, в работах [2, 9] получены аналитические выражения для погрешностей новых методов измерений координат, в работах [3. 4, 12] проведено моделирование и исследование эхосигналов для разных моделей зондирующих СШП сигналов, в работе [7] получены аналитические выражения для формы эхосигнала в частных случаях, в работе [8] получены математические выражения для корреляционной функции и интервала корреляции, в работе [11] выполнен корреляционный анализ модели сигнала, компьютерное моделирование и проведен сравнительный анализ различных моделей СШП сигналов

Тип.ТТИ ЮФУ Заказ №05' тирЛ^'экз

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Покровский, Юрий Олегович

введение.

1. анализ проблемы поиска неподвижных объектов малых размеров, расположенных в толще осадков. выбор направления исследований.

2. математические модели сверхширокополосных сигналов.

2.1. Принципиальные вопросы описания сверхширокополосных сигналов.

2.2. Радиоимпульс с прямоугольным спектром.

2.3. Радиоимпульс с прямоугольной огибающей.

2.4. Радиоимпульс с экспоненциальной огибающей.

2.5. Гауссовы сигналы.

2.5.1. Модифицированный гауссов радиоимпульс.

2.5.2. Моноцикл Гаусса.

2.6. Сравнительный анализ моделей сверхширокополосных сигналов.

3. преобразования сверхширокополосных сигналов в гидроакустическом канале.

3.1. Математическая модель СШП гидроакустического канала.

3. 2. Анализ поглощения энергии сигналов в среде.

3.3. Эхосигналы.

3.3.1. Влияние среды на узкополосные сигналы.

3.3.2. Влияние среды на сверхширокополосные сигналы.

3.4. Помехи в гидроакустическом канале при приеме

СШП сигналов.

3.5. Проблема согласованной фильтрации СШП эхосигналов от объектов, погруженных в осадки.

4. измерение координат малоразмерных объектов, погруженных в осадки.

5. разрешение сверхширокополосных эхосигналов.

5.1. Разрешение сверхширокополосных эхосигналов по дальности.

5.2. Влияние ширины спектра СШП сигналов на разрешение по угловым координатам.

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка и исследование методов измерения координат объектов в толще донных осадков с помощью сверхширокополосных гидроакустических сигналов"

Увеличение масштабов освоения Мирового океана и разнообразия морских технологий сопровождается расширением круга задач, которые возлагаются на гидролокационную технику и ростом требований к ее эксплуатационным, в первую очередь - метрологическим характеристикам.

Одной из актуальных и, одновременно, сложных задач гидролокации является задача поиска неподвижных объектов, погруженных в толщу осадков («заиленных»). К таким объектам относятся «черные ящики» летательных аппаратов, ценные малогабаритные грузы, утерянные в результате несчастных случаев, затонувшие головки ракет или приборные контейнеры космических аппаратов, контейнеры с опасными веществами, особенно - несанкционированные захоронения последних, донные и заиленные мины, затонувшие торпеды и др. В последние годы в связи с активизацией мирового терроризма возросла роль поиска намеренно зарытых в грунт подрывных зарядов, предназначенных для нанесения ударов по таким объектам, как портовые сооружения, плавучие атомные электростанции, морские буровые и т. п. (Упомянутые выше и им подобные по размерам объекты принято называть малоразмерными).

Основные проблемы, связанные с решением главных задач поиска - обнаружения искомых объектов, измерения их координат и классификации (распознавания) - обусловлены неблагоприятным сочетанием следующих основных факторов:

- большим поглощением акустической энергии в донных осадках, которое монотонно растет с увеличением частоты акустических колебаний. Отсюда следует, в первую очередь, принципиальная необходимость применения зондирующих сигналов, спектры которых расположены в возможно более низкочастотной области. Наименьшее допустимое значение нижней граничной частоты зондирующих сигналов определяется размерами объектов. Вследствие частотно-зависимого поглощения спектры эхосигналов от искомых объектов оказываются существенно отличающимися от спектров зондирующих сигналов, причем точный качественный прогноз этих отличий в реальных условиях становится практически невозможным, что исключает возможность применения согласованной фильтрации эхосигналов при приеме.

- сравнительно небольшими размерами искомых объектов и, соответственно, их небольшой отражающей способностью. Энергия эхосигналов от искомых объектов оказывается сравнимой с энергией реверберационной помехи, обусловленной обратным рассеянием зондирующих сигналов случайными неровностями границы вода-дно и случайными объемными неоднородностями приграничного слоя. Для увеличения отношения сигнал/реверберационная помеха необходимо увеличивать ширину спектра зондирующего сигнала.

- энергия эхосигналов от объектов указанного выше вида оказывается того же порядка, что и энергия эхосигналов от таких объектов, как валуны, обломки скал и тому подобные «ложные цели». Число таких ложных целей может в районах поиска значительно превышать число искомых объектов, особенно в зонах интенсивного судоходства, где дно обычно «засорено» выброшенными или утерянными предметами судового оборудования, обломками затонувших судов и т. п. В этих условиях особую роль играет высокое пространственное разрешение объектов (или их частей). Для его обеспечения необходимо расширять ширину спектра зондирующих сигналов.

Единственным видом сигналов, спектр которых может быть расположен в низкочастотной области и одновременно иметь большую ширину, являются сверхширокополосные (СШП) сигналы.

Применение СШП сигналов открывает ряд качественно новых возможностей решения задач радио- и гидролокации, недоступных при использовании обычных сигналов.

Методика инженерного прогнозирования характеристик СШП гидролокаторов находится в стадии становления и еще далека от завершения. Недостаточный уровень развития методики оценки потенциально возможных и технически достижимых характеристик СШП гидролокаторов, конкретных методик инженерных расчетов и математического моделирования является одним из факторов, сдерживающих развитие СШП гидролокации. Одной из необходимых составляющих такой методики являются математические модели СШП зондирующих сигналов, эхосигналов, помех.

Как показал ряд исследований моделей обычных (узкополосных) и СШП сигналов и опыт их применения в гидролокации [1 - 6], при выборе и разработке моделей СШП сигналов требуется проверка и оценка степени их адекватности реальным физическим сигналам, в противном случае возникает опасность появления различного рода артефактов.

Поэтому необходима систематизация сведений о существующих математических моделях СШП сигналов, исследование их параметров и степени соответствия физическим свойствам реальных сигналов, разработка новых моделей, ориентированных на применение в инженерных расчетах основных параметров СШП гидролокаторов.

Современные гидролокаторы должны не только удовлетворять заданным метрологическим характеристикам, но и обеспечивать достаточно высокую производительность поиска. Последнее обусловлено тем обстоятельством, что области дна, в пределах которых априори может находиться искомый объект, в большинстве реальных ситуаций превышают по площади величину эквивал Я лентной площади рассеяния (ЭПР) объекта в 10 - 10 и более раз. Из однопо-зиционных гидроакустических средств наибольшей производительностью обладают гидролокаторы секторного и бокового обзора, наименьшей - средства вертикального зондирования: профилографы обычного типа и параметрические эхолоты-профилографы.

В настоящее время разработаны и выпускаются зарубежными фирмами низкочастотные СШП профилографы обычного типа [7, 8] и параметрические, ряд последних разработан в России [9, 10].

СШП профилографы, предназначенные для контроля морского дна и толщи осадков, позволяют обнаруживать объекты в морских осадках до глубины десятков-сотен метров (в зависимости от акустических свойств осадков) при разрешении по вертикали неоднородностей от единиц до десятков сантиметров. Несмотря на это, такие профилографы практически непригодны для обнаружения локальных объектов из-за низкой разрешающей способности по горизонтальным (угловым) координатам. Это является следствием применения антенн с широкими характеристиками направленности (до десятков градусов) и вертикального режима зондирования.

СШП параметрические гидролокаторы также способны обнаруживать указанные объекты в грунте. Они могут обеспечить высокое разрешение в горизонтальном направлении, однако с их помощью нельзя обеспечить высокую производительность поиска из-за того, что параметрические излучатели имеют очень узкие характеристики направленности (При использовании параметрических эхолотов-профилографов время поиска при указанных выше значениях площади может составлять от единиц до нескольких часов, для ГБО оно может быть на один-два порядка меньше). Последнее свойство является прямым следствием физических принципов параметрического излучения.

Известные алгоритмы решения координатной задачи при наклонном зондировании и расположении искомого объекта в толще воды или на дне оказываются принципиально непригодными для случая, когда объект находится в толще осадков. Можно показать, что при использовании обычного метода бокового обзора и ему подобных методов наклонного зондирования возникает принципиальная неоднозначность решения задачи оценки координат заиленных объектов. В [11] предложен метод однозначного определения координат заиленных объектов с применением параметрических излучателей. Однако для осуществления такого тракта излучения необходимо решить ряд технических проблем создания параметрических излучателей с большой энергией излучения, что может оказаться невозможным при больших заданных глубинах обнаружения. Кроме того, техническая реализация приемного тракта такой ГЛС оказывается намного сложнее, чем в ГЛС обычного типа.

Разработка методов измерения координат малоразмерных объектов, находящихся в осадках, с помощью СШП гидролокаторов бокового обзора без применения параметрических антенн в настоящее время не решена в достаточной степени.

Актуальность поставленной проблемы определяется

Для достижения этого необходимо решить следующие задачи: - на основе анализа задачи поиска малоразмерных объектов, находящихся в толще осадков, найти и обосновать необходимые и достаточные условия для того, чтобы задача измерения координат указанных объектов была разрешима однозначно без применения многоканальных параметрических антенн;

- провести выбор и обоснование моделей СШП зондирующих сигналов с целью их использования для инженерных расчетов потенциальных характеристик ГЛС и в математической модели СШП гидроакустического канала;

- исследовать особенности случайных помех при приеме СШП эхосигналов, принципиальные и технические возможности реализации алгоритмов согласованной фильтрации;

Объект исследования - гидролокационные методы измерения координат локальных акустических рассеивателей естественного или искусственного происхождения.

Достоверность научных положений обеспечивается;

- полнотой и корректностью исходных предпосылок, теоретическим обоснованием, основанным на применении строгого математического аппарата, применением теоретически обоснованных математических моделей сигналов и среды;

- практически полным совпадением теоретических результатов с результатами экспериментальных расчетов, выполненных методом компьютерного моделирования;

- апробацией и публикациями основных результатов исследований.

Научная новизна

5. Выведены аналитические зависимости для оценок погрешностей измерения разработанных ранее и новых алгоритмов определения координат заиленных объектов.

Практическая значимость заключается в следующем:

- в развитии теоретической базы и инженерной методики расчетов СШП гидролокаторов, в частности:

• доказано, что применение СШП зондирующих сигналов для обнаружения объектов в толще донных осадков приводит к относительному уменьшению потерь энергии сигналов в грунте в 10-100 раз, улучшению разрешения в 20-1,5 раза в зависимости от глубины погружения объекта в осадки, центральной частоты и ширины спектра зондирующих сигналов;

• разработаны ориентированные на инженерные расчеты математические модели СШП зондирующих и эхосигналов, водной среды, осадков и помех, необходимые для корректного инженерного прогнозирования потенциальных метрологических характеристик ГЛС поиска;

- в синтезе нового метода измерения координат объектов в толще осадков при наклонном зондировании без определения угла падения акустических волн и без использования параметрических излучателей, который более эффективен, чем известные методы, поскольку результаты и точность измерения координат не зависят от скорости звука в осадках. Техническая реализация этого метода значительно проще, чем известного метода с использованием параметрических излучателей.

Основные положения, выносимые на защиту

5. Методика расчета потенциально достижимых характеристик пространственного разрешения СШП гидролокаторов.

Апробация работы. Основные научные и практические положения работы представлялись и обсуждались на 4 научно-технических конференциях:

- Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире», - Таганрог, ТРТУ, 2006

- Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» - Таганрог, ТРТУ, 2005

- Седьмой Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004, Санкт-Петербург, Россия.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 статей и 1 тезис доклада.

Структура диссертационной работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 5 приложений. Она содержит 208 стр., изложена на 148 стр. машинописного текста, имеет 54 рисунка, 1 таблицу, список литературы из 93 наименований, приложения размещены на 14 стр.

Заключение диссертации по теме "Акустика"

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ В ДИССЕРТАЦИИ, ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1.Г. М. Махонин, Ю. О. Покровский, Г. Л. Черниховская. Влияние ширины спектра гидролокационного сверхширокополосного сигнала на его пространственно-энергетические характеристик. "Методы и устройства передачи и обработки информации": Межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 4. - СПб.: Гидроме-теоиздат, 2004, с.24-31.

2.Покровский Ю.О., Федосов В.П., Черниховская Г.Л К вопросу измерения координат объектов, погруженных в осадки. Известия ТРТУ. - Таганрог: ТРТУ, 2006, №9, с. 3-8.

3.Покровский Ю.О. Черниховская Г.Л. Разрешение эхосигналов в грунте. Известия ТРТУ - Таганрог: ТРТУ, 2004, №8, с. 19-20

4.Ю. О. Покровский, Г. Л. Черниховская. Разрешение гидроакустических эхосигналов от цели в грунте. Труды Седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004, Санкт-Петербург, Россия. Приложение к научно-техническому сборнику «Гидроакустика». -ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», С-Петербург, 2004. - с. 368-371.

5.Ю. О. Покровский, Г. Л. Черниховская. Влияние диаграмм направленности антенн на пространственные характеристики сверхширокополосных гидроакустических сигналов. Труды Седьмой международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004, Санкт-Петербург, Россия. Приложение к научно-техническому сборнику «Гидроакустика».- ФГУП ЦНИИ «Морфизприбор», С-Петербург, 2004 - с. 372-376.

6.Ю.0 Покровский. Анализ моделей локационных сверхширокополосных сигналов. Материалы международной научной конференции Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 - Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 49-57.

7.Ю.0 Покровский, Черниховская Г.Л. Определение модели гидролокационного сверхширокополосного эхосигнала от объекта в осадках Материалы международной научной конференции Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 -Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 57 - 63.

8.Ю.0 Покровский, Черниховская Г.Л. Модель сверхширокополосных локационных сигналов в виде производной от гауссова видеоимпульса Материалы международной научной конференции Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 -Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 63 - 67.

9.Черниховская Г.Л., Федосов В.П., Покровский Ю.О. Алгоритмы измерения координат объектов малых размеров, погруженных в морские осадки с использованием двух и трех антенн. Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире» - часть 4 - Таганрог: ТРТУ, 2006, с. 89-95.

10.Ю. О. Покровский. Применение радиоимпульсов с прямоугольной огибающей для обнаружения объектов в среде с поглощением. Материалы международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» -Часть 2- Таганрог: ТРТУ, 2005, с.63-72.

11 .Ю.О.Покровский, Г.Л.Черниховская. Простая экспоненциальная модель сверхширокополосных гидроакустических сигналов. Материалы международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» - Часть 2 -Таганрог: ТРТУ, 2005, с.72-77.

12.Мусатова М.М., Покровский О.Ю., Черниховская Г.Л. Моделирование гидролокационных сверхширокополосных сигналов с учетом затухания в воде и в грунте. Материалы международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике» - Часть 2-. Таганрог: ТРТУ, 2003, с. 40-47.

В работах, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работах [1, 5] предложена методика расчета обобщенной энергетической функции для конкретных моделей СШП сигналов и проведены ее вычисления, в работах [2, 9] получены математические выражения для погрешностей методов измерений координат с введением дополнительных приемных антенн, в работах [3, 4, 12] проведено моделирование эхосигналов от объектов в осадках для разных моделей зондирующих СШП сигналов и исследование полученных результатов, в работе [7] проведены исследования и получены математические выражения для формы эхосигнала в частных случаях - узкополосный и СШП сигналы на малых и больших расстояниях, в работе [8] получены математические выражения для корреляционной функции и интервала корреляции, в работе [11] выполнен корреляционный анализ модели сигнала, компьютерное моделирование и проведен сравнительный анализ различных моделей СШП сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Покровский, Юрий Олегович, Таганрог

1. Черниховская Г.Л. Цифровое моделирование сверхширокополосных сигналов и их обработки. Отчет о НИР. г. Черкассы, 1989 г., № гос. per. 01.89.0 016669.- 157 с.

2. Борисов А.С. Исследование влияния поглощения звука в морских осадках на разрешающую способность акустических профилографов. Диссерт. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Таганрог, ТРТУ, 2002 г.

3. Черниховская Г.Л., Мусатова М.М. Анализ влияния среды на свойства гидроакустических сверхширокополосных сигналов. Труды ТРТУ, №11 :- Таганрог, 2003.

4. Черепанцев С.Ф., Махонин Г.М., Черниховская Г.Л., Диченко Е.В. Отчет о НИР «Сложные сигналы и параметрический эффект в практической гидроакустике». Таганрог, 1998 г.

5. Профилографы типа X-Star, модели SB424-SB0408 фирмы Edge Tech.

6. Профилографы типа GeoChirp, модели 132? 136 фирмы Geo Acoustics.

7. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. Судостроение, 1981. - 264с.

8. Новиков Б.К., Тимошенко В.И. Параметрические антенны в гидролокации. Судостроение, 1990. - 256с.

9. И. Ишутко А.Г. Разработка методов гидроакустического поиска малоразмерных заиленных объектов в условиях мелководья. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук, Таганрог, 2003.

10. Фалькович С.Е. Прием радиолокационных сигналов на фоне флук-туационных помех. -М.: Сов.радио, 1961. 311 с.

11. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. М.: Сов. радио, 1971.-568 с.

12. Розенберг В.Я. Радиотехнические методы измерения параметров процессов и систем. М.: Изд-во Ком.стандартов, 1970. - 308 с.

13. Шендеров E.JI. Излучение и рассеяние звука.- Л.: Судостроение, 1989.-304 с.

14. Ширман Я.Д., Горшков С.А., Лещенко С.П., Братченко П.Д., Орленко В.М. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование. Радиолокация и радиометрия, 2000г, вып.Ш, №2,

15. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных измерений. М.: Радио и связь, -1989.

16. Introduction to Ultra-WideBand Radar System. Edited by James D. Taylor, Crc Press. Boca Raton, Ann Arbor, London, Tokyo, 1995.

17. Иммореев И.Я. Сверхширокополосная локация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации. Электромагнитные волны и электронные системы, №1, т.2, 1997, с. 81-88.

18. Осипов М.А. Сверхширокополосная радиолокация //Радиотехника, 1995, №3, С. 3-6.

19. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары: новые возможности, необычные проблемы, системные особенности. Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение, 1998, №4, с. 25-56.

20. IEEE Conference On Ultra WideBand Systems and Technologies -UWBST 2002. Papers. May 2002, Wyndham Baltimore Inner Harbor.

21. Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. Сборник докладов Всероссийской научной конференции. Муром, 1-3 июля 2003 г. Муром: Изд. - полигр. центр МИ ВлГУ, 2003. - 546 с.

22. Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике. Сборник докладов Второй Всероссийской научной конференции-семинара. Муром, 4 7 июля 2006 г. / Муром: Изд. -полигр. центр МИ ВлГУ, 2006.-507 с.

23. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография /Под ред. А.Ю.Гринева. М.: Радиотехника, 2005. - 416 с. (Сер. Радиолокация)

24. Андреев Г.А., Заенцев Л.В., Яковлев В.В. Радиоволновые системы подповерхностного зондирования. Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №2, с.3-22.

25. Proceedings of the Ninth International Conference on Ground Penetrating Radar GPR-2002. Introduction and table of contents. April 20-May 2, Santa Barbara, California, USA

26. Proceedings of the Tenth International Conference on Ground Penetrating Radar GPR-2004. Introduction and table of contents.21-24 June, 2004, Delft, Netherlands.

27. Radar Vision 2. Introducing the Second Generation Through-Wall Motion Detection Radar for Enhanced Tactical Entry. Time Domain Corporation, www.radarvision.com.

28. Радиолокатор «Раскан-3» назначение, достоинства, применение, технические параметры RSLab.

29. A Wideband Imaging Radar for Through-the-wall Surveillance. SPIE Defense and Security Symposium Technologies for Homeland Security and Law Enforcement, 15 April, 2004. AKELA.

30. Борьба за патент США на сверхширокополосные радиолокационные системы. Radar patent skirmish ripples through industry/ Scott W.B. //Aviat. Week and Space TechnoL- 1998.- 148, №24.-c.26-27.

31. Ю.О Покровский. Анализ моделей локационных сверхширокополосных сигналов. Материалы международной научной конференции Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире». Часть 4. Таганрог: ТРТУ, 2006.

32. Винер И., Пэли Р. Преобразование Фурье в комплексной области.-М.:Наука, 1964.-267с.

33. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М.: Наука, 1971,407 с.

34. Бейкер Дж., П. Грейс-Моррис. Аппроксимации Падэ. М.: Мир, 1986. - 502 с.

35. Лях М.Ю., Семенов О.Б. Использование сверхширокополосных сигналов для персональных беспроводных компьютерных сетей. Журнал Tecnology@Intel, Декабрь 2003 г, с. 1-12.

36. XtremeSpectrum Inc/A Tutotial on Ultra Wideband Technology//IEEE 802.15 Working Group, submission, Mar. 2000

37. Intel Corporation. Intel's Multi-band UWB PHY Proposal for IEEE 802.15.3a//EEE 802.15.3a Working Group, submission, Mar. 2003

38. Ю.О. Покровский. Анализ моделей локационных сверхширокополосных сигналов. Материалы международной научной конференции Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире». Часть 4. Таганрог: ТРТУ, 2006.

39. Левин. Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. -М.: Сов.радио, 1974. 552 с.

40. Г. Л. Черниховская. К вопросу о модели сверхширокополосных локационных сигналов. Материалы международной научной конференции «Динамика процессов в природе, обществе и технике: информационные аспекты». Часть 3. Таганрог, 2003, с.74-77 с.

41. Покровский Ю.О. Черниховская Г.Л. Разрешение эхосигналов в грунте. Известия ТРТУ. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2004, №8, с. 19-20

42. Ильин А.В. О геологических моделях дна в акустике океана. В кн. «Акустические волны в океане»/Под ред. Бреховских Л.М., Андреевой И.Б.- М.: Наука, 1987. - с. 130-137.

43. Ю.О Покровский, Черниховская Г.Л. Определение модели гидролокационного сверхширокополосного эхосигнала от объекта в осадках . Материалы международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире». Часть 4. Таганрог: ТРТУ, 2006.

44. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио, 1966. - 678с.: ил.

45. Патент 5687169 США. Full Duplex Ultrawide-Band Communication System and Method/ Larry W. Fullerton. Приоритет 27.04.95.

46. Клещев А.А., Клюкин И.Н. Основы гидроакустики JL: Судостроение, 1987.-224 с.

47. Тюлин В.Н. Введение в теорию излучения и рассеяния звука. М.: Наука, 1976. -253с.: ил.

48. Шендеров E.JI. Волновые задачи гидроакустики.- Д.: Судостроение, 1972.-349 с.

49. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред.- М.: Наука, 1980. 304 с.

50. Бреховских Л.М., Годин О.А. Акустика слоистых сред.- М.: Наука, 1989.-214 с.

51. Г.М. Махонин, В.П. Федосов, Г.Л. Черниховская. Обнаружение локационных объектов в сложных средах с поглощением. Радиотехника, 2006, №2, с. 90-95.

52. Евтютов А.П., Митько В.Б. Инженерные расчеты в гидроакустике.-JL: Судостроение, 1988.-288 с.

53. Урик Р. Дж. Основы гидроакустики. Л.: Судостроение, 1978. -445с.: ил.

54. Клей К., Медвин Г. Акустическая океанография- М.: Мир, 1980. -580 с.

55. Акустика морских осадков. Сб. статей/ Под ред. Л. Хэмитона- М.: Мир, 1977.-533 с.

56. Леонтьев O.K. Дно океана М.: Мысль, 1968

57. Справочник по гидроакустике/ Евтютов А.П. и др. Л.: Судостроение, 1988.- 552 с.

58. Свердлин Г.М. Прикладная гидроакустика. Л.: Судостроение, 1990. -320с.

59. Konstantinos P. Prokopidis and Theodoros D. Tsiboukis. Modeling of ground-Penetrating Radar for Detecting Buried Objects in Dispersive Soils. ACES 2005.

60. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. М.: Энергия, 1972. - 456 с.

61. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств Л.: Судостроение, 1981. - 208 с.

62. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с.

63. Харкевич А.А. Борьба с помехами. М.: Физматгиз, 1963. 275 с.

64. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. М.: Сов. радио, 1978. - 304 с.

65. Махонин Г.М., Черниховская Г.Л. Координатные измерения при локации объектов, погруженных в толщу осадков. Труды 18 сессии РАО, Таганрог, 2006.

66. Покровский Ю.О., Федосов В.П., Черниховская Г.Л. К вопросу измерения координат объектов, погруженных в осадки. Известия ТРТУ , 2006, №9, с.3-9.

67. Пугачев B.C. Теория случайных функций. М.: Изд. физ.-мат. лит., 1960. - 884с.: ил.

68. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.: Советское радио, 1969. - 448с.

69. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации. М.: Советское радио, 1965. - 304с.

70. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М.: Советское радио, 1973. - 312с.

71. Горелик Г.С. Колебания и волны. М.: Изд. физ.-мат. лит., 1959.-572с.: ил.

72. Крамер Г. Математические методы статистики./ Пер. с англ. М. Мир, 1975.-648с.: ил.

73. Арсенин В.Я. Методы математической физики и специальные функции. М.: Наука, 1974. - 431с.

74. Рытов С.М., Кравцов Ю.А., Татарский В.И. Введение в статистическую радиофизику. М.: Наука, 1978. - 463 с.

75. Фридлендер Ф. Звуковые импульсы М.: ИИЛ, 1962. - 224 с.

76. Гуткин Л. С. Теория оптимальных методов радиоприема при флук-туационных помехах. М.: Сов.радио, 1972. - 448 с.