Разработка метода распознавания рыбных скоплений по гидролокационным сигналам на фоне донных отражений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

Нгуен Тьен Тай

РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСПОЗНАВАНИЯ РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ ПО ГИДРОЛОКАЦИОННЫМ СИГНАЛАМ НА ФОНЕ ДОННЫХ ОТРАЖЕНИЙ

Специальность: 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2005

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете « ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Давыдов В. С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Кудряцев В.И. кандидат технических наук, доцент Пигулевский Е.Д.

Ведущая организация - ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор»

Защита состоится: « » (¿И)Н.9> 2005 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт- Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « -/? » ЛШЛ 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Юлдашев З.М.

1

ОБЩАЯ ХАРАТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Тема диссертации обусловлена существующей потребностью промышленного рыболовства в высокоэффективных рыбопоисковых средствах. Данные средства должны решать задачи поиска рыбных скоплений при сокращении затрат на движение судна, быстрой оценки биоресурсов в районах добычи.

Известно большое количество российских и зарубежных работ, направленных на обнаружение рыб по гидроакустическим сигналам, как шумовым, так и рассеянным рыбными скоплениями. Наибольшее практическое значение имеют работы, связанные с использованием эхолотов и гидролокаторов. С помощью эхолота гидроакустические сигналы, рассеянные на рыбных скоплениях, отчетливо выделяются на фоне донного отражения, так как расстояние от гидроакустической антенны до рыб всегда меньше расстояния до дна. Но для обнаружения рыбных косяков с помощью эхолота судно должно пройти непосредственно над ним. С этой целью рыболовное судно должно проходить значительные расстояния, тратить много времени, расходовать топливо и моторесурс. Экономически более выгодным является режим обнаружения рыбных скоплений с помощью гидролокатора, облучающего подводную акваторию антенной кругового обзора на значительно больших расстояниях, чем глубина районов рыбного промысла. Однако в этом случае трудно различать эхосигналы от рыб и от донных отражений, которые могут приходить в разное время на антенну гидролокатора. Поэтому актуальным является разработка метода распознавания рыбных скоплений по гидролокационным сигналам на фопе донных отражений.

Цель диссертационной работы

Цель диссертационной работы - разработка метода распознавания рыбных скоплений по на фоне донных отражений по результатам анализа гидролокационных сигналов от рыб и от дна.

Задачи диссертационной работы

1. Обоснование и выбор гидроакустической излучающей аппаратуры.

2. Обоснование формы зондирующего импульса.

| 3. Анализ возможных научно - технических решений для распознавания

рыбных скоплений на фоне донных отражений.

4. Разработка метода распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений.

5. Экспериментальные исследования разработанного метода распознавания рыбных скоплений.

Методология и методы проведенного исследования

В диссертационной работе использовался математический аппарат: теории сигналов, согласованной фильтрации, теории распознавания образов и теории

оценок.

НАЦИОНАЛЬНАЯ I библиотека!

Практическая значимость полученных результатов.

Разработан метод распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений, позволяющий повысить дальность обнаружения рыбных скоплений по гидролокационным сигналам и сократить проходимые судном расстояния в поиске рыбных ресурсов.

Научная новизна диссертационной работы.

Впервые разработан метод распознавания рыбных скоплений, позволяющих отличить гидролокационные сигналы от рыб и от дна, в сложной гидроакустической обстановке.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Установлена возможность распознавания рыбных скоплений по гидролокационным сигналам на фоне донных отражений с помощью метода междуцикловой корреляционной обработки сигналов (МКО).

- Показана возможность выделения существенных локальных максимумов в огибающих эхосигналов от рыбных скоплений (и огибающих взаимнокорреляционных функций эхосигналов от рыб с копией сложного частотного модулированного зондирующего импульса) с помощью специально-адаптированного алгоритма выделения локальных экстремумов.

- Сформулировано правило принятия решения для распознавания рыбных скоплений по методу междуцикловой корреляционной обработки сигналов (МКО) на основе оптимального критерия Байеса.

Апробация результатов

Результаты диссертационной работы опубликованы в 3 работах, в том числе: 1 статья в журнале «Известия» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Выпуск 2. СПб., 2003г. с. 19-21; 1 статья в журнале «Радиоэлектроника» - Известия высших учебных заведений России. Выпуск 1. СПб., 2004г. с. 17-26; 1 статья в журнале «Известия» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Выпуск 2. СПб., 2004г. с.3-5.

Материалы, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на 56-й научно-технической конференции «радиоэлектроника и телекоммуникация» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 10 февраля 2003 г., 57-й научно-технической конференции «радиоэлектроника и телекоммуникация» в СП6ГЭТУ«ЛЭТИ» 4 февраля 2004 г., 58-й научно-технической конференции «радиоэлектроника и телекоммуникация» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2 февраля 2005 г.

Публикации

По теме диссертации опубликованы 3 статьи.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 89 наименований. Основная часть работы изложена на 122 страницах машинописного текста. Работа содержит 42 рисунка и 2 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика рассматриваемого в работе вопроса распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по гидролокационным сигналам и общая постановка решаемой задачи.

Первая глава работы носит обзорный и постановочный характер. В ней проведен обзор и анализ существующих методов обнаружения и распознавания рыбных скоплений:

- Обнаружение рыбных скоплений томографическим способом.

- Обнаружение рыбных скоплений пассивным способом с помощью стационарных гидроакустических средств.

- Обнаружение рыбных скоплений с использованием согласованной фильтрации сложных зондирующих импульсов.

- Поиск рыбных скоплений способом обнаружения кильватерного следа.

- Обнаружение рыбных скоплений когерентным способом.

- Обнаружение рыбных скоплений по изменению фазовых соотношений в отраженном сигнале.

В конце первой главы в разделе: «Постановка задачи распознавания рыбных скоплений» отмечена актуальность темы диссертационной работы и сформированы основные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена модель сигнала, отраженного от рыбных скоплений. Косяки рыб являются примером тел сложной геометрической формы, за счет движения рыб эхо-сигналы имеют случайный характер, изменяющийся от одной посылки к другой. В качестве вероятностной модели эхо-сигнала от рыбных скоплений принята каноническая модель, представляющая эти сигналы в виде суммы независимых сигналов, рассеянных от отдельных рыб, со случайными параметрами

*(0= 2 (1) /=1 ' '

Где а. - случайные некоррелированные величины; £¡(1:) - зондирующий импульс; т. - случайная задержка во времени.

Отражающие свойства рыбных скоплений оцениваются коэффициентом объемного рассеяния, представляющим собой меру рассеяния звука единичным

объемом. Коэффициент объемного рассеяния ту, пропорционален числу рыб в единице объема, т.е. плотности скопления ру,м и акустическому сечению

О

отдельных рыб а,м :

тх = руст. (2)

Рассеивающие свойства одиночных рыб характеризуются также силой цели (в децибелах):

ТБ = 101ё(а/4ж) (3)

Коэффициент обратного рассеяния от косяка рыб может быть выражен в децибелах следующим образом:

Sv=101g^=101gpv+7S. (4)

В этой главе тоже рассмотрены реверберационные помехи. Основное внимание уделено донной реверберации. В настоящее время наибольшее признание при исследовании вероятностных характеристик реверберации получила дискретная каноническая модель ФОМ (модель П.Фора, В.В.Ольшевского, Д.Миддлтона). В соответствии с этой моделью рассеивающие звук неоднородности, принимаются дискретными, вторичное рассеяние между неоднородностями не учитывается, распространение звуковых колебаний считается однолучевым. Реверберация представляется в виде суммы рассеянных сигналов:

N(t) N(t)

т= I Д/(0= КС-';.*/) (5)

/=1 1=1

Где Щ - отдельные рассеянные сигналы; N(t) - число рассеянных сигналов или дискретных неоднородностей, изменяющихся от времени t; щ - случайная величина, характеризующая коэффициент рассеяния звука на отдельных неоднородностях; <p(t) - функция, определяющая изменение рассеянных сигналов в процессе их распространения в морской среде; <£(t) - зондирующий импульс; f; -временные задержки между отдельными рассеянными сигналами в точке приема; Sj - случайные параметры, изменяющие форму рассеянных сигналов.

Для снижения помех, обусловленных донной реверберацией целесообразно применение параметрической излучающей аппаратуры, формулирующей широкополосные зондирующие импульсы в достаточно узкой диаграмме направленности с малыми боковыми лепестками.

В этой главе, дано обоснование формы зондирующих импульсов в виде частотно модулированных сигналов. Применение сложных частотномодулированных сигналов исключает эффект «замирания», так как происходит наложение сигналов с высокой вероятностью отличающихся по частоте. При использовании частотно-модулированных сигналов практически исключаются совпадения по фазе и в противофазе сигналов, одновременно поступающих на приемную антенну. В результате флуктуации амплитуд принимаемых частотно-модулируемых сигналов значительно меньше, чем тональных и фазоманипулированных сигналов. Однако конкретные величины флуктуации могут заметно отличаться для разных условий распространения сигналов в морской среде.

Проведен сравнительный анализ метода междуцикловой корреляционной обработки сигналов и метода переизлучения отраженных сигналов, позволяющих распознавать эхосигнапы от рыбных скоплений на фоне донных отражений. По методу междуцикловой корреляционной обработки сигналов (МКО), основанной на устойчивости классификационных признаков временных положений существенных максимумов {tj} в огибающей взаимнокорреляционной функции

(ОВКФ) эхосигнала от дна с копией сложного зондирующего импульса в пределах

ограниченного диапазона углов облучения дна и неустойчивости этих признаков {гj} для ОВКФ сигналов, рассеянных на рыбных скоплениях.

Модель эхосигнала от тела сложной формы может быть представлена в виде: *(0= fJSj(t-Tj) + N(t)= j^ajSit-ZjXiD + Nit), (6)

У—1 J=1

В соответствии с методом МКО проводится совместная обработка гидролокационных сигналов в двух соседних циклах облучения подводной акватории. Излучаются сложные частотномодулированные (ЧМ) сигналы. Принимаемые эхосигналы обрабатываются в согласованном фильтре путем вычисления взаимной корреляционной функции эхосигнала s(t) с копией сложного зондированного импульса £(t):

00

S{r) = (E^EsyV1 js*(t)C(t-T)dt, (7)

-00

оо 2 00 2

Где Er = f '£(?}■ dt - энергия зондированного импульса; Es= f ¡.v(f)1 dt -b -co 1 -oo

энергия эхосигнала; s^- сигнал, комплексно-сопряженный с сигналом sa; sa = s + J? аналитический сигнал, построенный на базе сигнала s; s -действительная часть аналитического сигнала, равная реальному сигналу; j -мнимая часть аналитического сигнала, полученная путем преобразования Гильберта от s.

На выходе согласованного фильтра выделяются огибающие взаимнокорреляционых функций (ОВКФ) для донных отражений 5Д(г) и для рыбных скоплений Sp(r) (рис. 1). Далее по специальному алгоритму из 5'л(г) и 5р(г), полученных в двух соседних циклах облучения, выделяются существенные максимумы и из них формируются последовательности равноамплитудньгх прямоугольных импульсов qa(tj) и <7р(/,) для первого цикла облучения акватории

и <7Д (tfr) и qр (tfc) - для второго цикла. Затем между последовательностями </д ) и ^д(^), а также qp(ti) и qp(tk) в двух соседних циклах облучения вычисляются знаковые корреляционные функции и гр (/') соответственно по формуле

-1 N

r(j) = N ^qit^Plqil^-j)- За счет устойчивости временных положений k,i=\

максимумов в ОВКФ для донных отражений гд(j) превышает гр (j) для эхосигналов, рассеянных на рыбных скоплениях.

г

Гр Гд

— - —

ппп ппп п п

Рис.1

По методу переизлучения отраженных сигналов один из принятых и записанных в память гидролокационных сигналов переизлучается в том же направлении, что и предыдущий зондирующий импульс, но в обратной последовательности. Причем для случая использования коротких зондирующих импульсов из огибающей 5,(г) (рис. 2) принятого сигнала сначала

выделяются существенные максимумы по специальному алгоритму и на них формируется последовательность прямоугольных импульсов равной амплитуды 5,(0(рис.2) с задержками {ту}, расположенными в обратной последовательности относительно временных положений {г^}, выделяемых в огибающей принятого

сигнала £,(?)■ При излучении 52(?) происходит отражение каждого сформированного импульса от всех элементов облучаемых тел сложной формы и рыбных скоплений. На рис. 2 схематично представлено расположение отраженных импульсов от тела сложной формы, состоящего из трех элементов. С учетом лишь зеркальных составляющих приведены огибающие сигналов 53(/), 54(г), $¡(1), отраженных от трех элементов тела, и огибающая суммарного сигнала 51(/) от всего тела. Представляя передаточную функцию тела сложной формы в виде набора дельта-импульсов с задержками гу и амплитудами aj

7=1

Эхосигнал можно определить в виде свертки:

00 00 п

—оо —оо 7=1

°° п п п п

-ооУ=1 ]=\ У=1 /=1

При совпадении {гу} и {гу}, равен сумме отраженных сигналов от

всех элементов тела. В форме ^(О наблюдается глобальный максимум 5тах, превышающий средний уровень огибающей ,*>£ (/). Если (/) формируется в виде

суммы длинных сложных зондирующих импульсов С2^) > то короткий 5шах наблюдается после согласованной фильтрации 5^(0 в соответствии с (7). Распознавание жесткого тела сложной формы выполняется при превышении отношения 5,шах/5,2 порогового уровня у/.

Рис. 2

Для рыбных скоплений, находящихся в постоянном движении, отсутствует устойчивость временных положений максимумов {г^} в огибающей эхосигнала.

Поэтому при переизлучении сигнала, рассеянного на рыбных скоплениях в

суммарном сигнале S^(t)отсутствует существенный глобальный максимум 5,шах, так что отношение выявленного глобального максимума 5тах в огибающей S(t) сигнала от рыбных скоплений к среднему уровню не будет превышать

порогового уровня для донных отражений 5тах / <4/.

Недостатком метода переизлучения отраженных сигналов по сравнению с методом междуцикловой корреляционной обработки (МКО) сигналов является необходимость переизлучения нескольких сигналов, что требует дополнительных затрат временных и энергетических ресурсов, при этом гидролокатор должен работать в специальном режиме. Поэтому принято выполнять распознавания рыбных скоплений по методу МКО

Важным вопросом, определяющим выделения существенных максимумов является алгоритм выделения локальных максимумов.

Рис.3

Предлагается использовать алгоритм выделения существенных максимумов в форме огибающей отраженного сигнала. Огибающая отраженного сигнала S(t) (рис. 3) состоит из нескольких существенных максимумов (точки 7, 15, 21,25), минимумов (точки 10, 18, 22) и имеет незначительные флуктуации в виде малых максимумов (точки 1, 3, 5,9...) и минимумов (точки 2,4, 6, 8...).

Алгоритм выделения существенных максимумов и минимумов представлен на рис. 4.

Максимум Sp max считается существенным, если он является наибольшим среди всех максимумов ... Sp_3 max, 2 max. sp-l max. sp max. sp+\ max. $p H max • • •> заключенных между двумя минимумами S^ щщ, Sp+/|p т;п, для которых выполняются следующие неравенства

Spmax/$ктт - ^

^ ртах /^p+Apmin —

где Ар - приращение номера следующего экстремума.

В оперативной памяти фиксируется признаковое пространство амплитудных

значений и временных положений существенных максимумов в огибающей

отраженного сигнала {Sfonax> '/fcmaxb

Распознавание рыбных скоплений на фоне донных отражений по методу

МКО выполнено с использованием максимального значения знаковой

корреляционной функции г ,... На основе rmax могут быть сформированы

шах! /1

оптимальные решающие правила, подробно рассмотренные в диссертационной работе.

Распознавание рыбных скоплений на фоне донных отражений может быть выполнено путем сравнения отношения rmax/r максимального значения знаковой корреляционной функции г ,.. к среднему значению r(j) с некоторым порогом

ШЯХ ' J J

у/. Тогда порог устанавливается на основе условных плотностей вероятностей величин rmax /г для рыбных скоплений P|(rmax/r)/^j и для донных отражений априорных вероятностей появления рыбных скоплений j и донных отражений j, функций потерь П^при принятии решения о

присутствии косяка рыб (к=1) или его отсутствии (к=0), если в действительности наблюдается донное отражение (ш=1) или отсутствует (т=0) донное отражение, а также функций потерь при верных решениях Птт, П^. Тогда в соответствии с

оптимальным байесовским критерием значения отношений rmax /г минимизацией рискаR

«=П \Птк Р(ут )р[{гтах/г)/ук ]4w /') (11)

к

разбиваются на две области: Gk - соответствующие рыбным скоплениям, и Gm -

соответствующие донным отражениям.

В результате разделения значений отношений (%ах/г) на Две области определяется величина ц/. Если отсутствует информация о функции потерь =0,ПШЯ1 = 1 П^ =1) и априорных вероятностях Pty^} и то порог у

определяется только на основе условных плотностей вероятностей: i ^>Krmax

1г)1Гк№таях.Гг)=1- I Р[(гтах/г)/ГтЩгтах/г) (12)

G, G

к т

или Т Кшах/'-)= 1 - Т ^'K'max/г)/Ym^('inax/г) (13)

у —00

Тогда при (гтах/>~)>Р отмечается эхосигнал от донных отражений, а при ('max/г) < У эхосигнал от рыбных скоплений.

Третья глава работы посвящена результатам экспериментальных исследований работы предложенного метода распознавания рыбных скоплений.

Были обработаны гидролокационные импульсы, представленные специалистами Таганрогского государственного радиотехнического университета (д.т.н. проф. Тарасовым С.П. и др.).

При проведении исследований был использован гидролокатор бокового обзора (ГБО) с узкой характеристикой направленности в горизонтальной плоскости (-1,5°) и достаточно широкой характеристикой направленности в вертикальной плоскости (~50°) рис.5.

Излучались короткие тональные зондирующие импульсы с длительностью т,=50мкс, пространственная длина которых Ь, =стз/2«3,75.10"2м (где с -скорость звука) была достаточна для разрешения отражений от неровностей грунта и рассеяний на отдельных экземплярах рыбных скоплений (не требовалось выполнять согласованную фильтрацию принимаемых сигналов). Принимаемые гидролокационные сигналы детектировались, их огибающие 5(г) в цифровом виде регистрировались в памяти компьютера и на магнитном носителе. В процессе испытаний предварительно были установлены гидролокационные сигналы от дна и появляющиеся в результате наведения ГБО на рыбный косяк гидролокационные сигналы от рыб. Далее сигналы обрабатывались по методу МКО.

Выбор количества циклов облучения акватории для усреднения гд(_/) и гр(/)

зависит от конкретных условий акватории (видов рыб, неровностей дна, волнения моря, водоизмещения судна и т.д.). Полученные результаты обработки гидролокационных сигналов для акватории Каспийского моря подтвердили возможность распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по методу междуцикловой корреляционной обработки сигналов с усреднением за несколько циклов облучения.

На рис. 6 показаны гистограммы значений знаковых корреляционных функций :

а - для донных отражений (гсреднее ~ 0^9), обраб. 500 сигналов б - для рассеяний на рыбном скоплении (гсреднее = 0,48), обраб. 52 сигналов

Рис.5

1

\Л/

О 10 20 30 40 а 50 60 70 80 90 100

1

\Л/

0,269

0,205

0,115

0,218

0,215

| 0,077

ййй

10

20 30

40 б 50 Рис.6

60 70 80 90 100 ГО)

Для повышения точности распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений необходимо использовать не две, а большее количество зондирующих посылок (10-20). Тогда усредненные за несколько циклов обучения акватории гдО) и гр{Л позволяют с большей вероятностью распознавать рыбные скопления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие результаты:

1. Обоснован выбор параметрической излучающей аппаратуры для снижения помех донной реверберации при распознавании рыбных скоплений.

2. Обоснован выбор формы зондирующих импульсов в виде сложных частотномодулированных сигналов для снижения амплитудных флуктуаций принимаемых гидролокационных сигналов.

3. Проведен анализ возможных научно - технических решений для распознавания рыбных скоплений на фоне донной реверберации.

4. Разработан метод распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений на основе способа (метода) междуцикловой корреляционной обработки сигналов.

5. Сформировано решающее правило распознавания гидролокационных сигналов от рыбных скоплений и донных отражений на основе оптимального критерия Байеса.

6. Проведена экспериментальная проверка разработанного метода путем обработки в нескольких соседних циклах гидролокационных сигналов от рыбных скоплений и дна, полученных в результате морских испытаний на Каспийском море.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Давыдов B.C., Нгуен Т.Т., Хренов М.Ю. Взаимнокорреляционная обработка гидролокационных сигналов для повышения дальности распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений // «Известия» СПбГ ЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Выпуск 2. СПб., 2003. с. 19-21.

2) Давыдов B.C., Нгуен Т.Т., Хренов М.Ю. Методы повышения дальности распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений // «Радиоэлектроника» - Известия высших учебных заведений России Выпуск 1 -2004. с. 17-26.

3) Выонг Х.Т., Давыдов B.C., Нгуен Т.Т., Тарасов С.П. Результаты распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по гидролокационным сигналам // «Известия» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Выпуск 2. СПб., 2004. с. 3-5.

Подписано в печать 05.05.05. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная Печать офсетная Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 37

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5

л

г

Ht 128 3

РНБ Русский фонд

2006-4 9238

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ РАСПОЗНАВАНИЯ РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ.

1.1 Обзор методов распознавания рыбных скоплений.

1.1.1. Обнаружение рыбных скоплений томографическим способом.

1.1.2. Обнаружение рыбных скоплений пассивным способом с помощью стационарных гидроакустических средств.

1.1.3. Обнаружение рыбных скоплений с использованием согласованной фильтрации.

1.1.4. Поиск рыбных скоплений способом обнаружения кильватерного следа.

1.1.5. Обнаружение рыбных скоплений когерентным способом.

1.1.6. Обнаружение рыбных скоплений по изменению фазовых соотношений в отраженном сигнале.

2. Постановка задачи распознавания рыбных скоплений.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

2. РАЗРАБОТКА СПОСОБА РАСПОЗНАВАНИЯ ЭХОСИГНАЛОВ ОТ РЫБНЫХ СКОПЛЕНИЙ НА ФОНЕ ДОННЫХ ОТРАЖЕНИЙ.

2.1 Обоснование и способы распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений.

2.1.1. Модель сигнала и акустические характеристики сигналов, рассеянных на рыбных скоплениях.

2.1.2 Модель реверберации и акустические характеристики помех, включая донную реверберацию.

2.1.3. Обоснование параметрической излучающей аппаратуры для снижения помех донной реверберации.

2.1.4. Выбор и обоснование формы зондирующего импульса.

2.1.5. Обоснование и разработка способа распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по методу междуцикловой корреляционной обработки сигналов.

2.1.6. Обоснование и разработка способа распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по методу переизлучения отраженных сигналов.

2.1.7. Построение функциональной схемы.

2.2. Разработка алгоритма обработки сигналов.

2.2.1. Алгоритм согласованной фильтрации.

2.2.2. Алгоритм выделения локальных максимумов.

2.2.3. Построение оптимальных решающих правил.

ВЫВОД ПО ГЛАВЕ 2.

3 ЭКСПРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И

Современное ведение рыбного промысла не возможно представить без использования гидроакустической аппаратуры. В настоящее время успешное решение ряд важных промысловых задач зависит от наличия достоверной информации, получаемой, в частности, в результате подводного обзора с помощью различных технических средств. К таким средствам относятся эхолоты, шумопеленгаторы, гидролокаторы. К числу важных задач, решаемых с использованием таких средств, можно отнести: обнаруживать рыбные скопления на значительных расстояниях от судна, определять их координаты, выбирать в промысловых районах места с наиболее плотной концентрацией рыбы и др.

В последнее время наибольшую роль при поиске рыбных скоплений играют гидролокационные станции (ГЛС). Это обусловлено рядом присущих преимуществ, к наиболее важным из которых относятся:

• Гидролокаторы позволяют обнаружить эхосигналы от рыбных скоплений на больших расстояниях не зависимо от метеорологических условий.

• Эффективные алгоритмы обработки гидролокационных сигналов, реализуемые на новой элементной базе, позволяют повышать вероятность обнаружения косяков рыб.

Благодаря отмеченным преимуществам, ГЛС находят широкое применение при решении задач обнаружения, определения координат и распознавания рыбных скоплений.

Одно из важнейших направлений в современной гидролокации — создание методов обработки сигналов, позволяющих получить наиболее полную информацию о наблюдаемых объектах, которая содержится гидролокационном сигнале. Гидролокационное распознавание является частью этого направления и предполагает получение гидролокационных характеристик объектов, выбор информативных и устойчивых признаков распознавания и принятие решений о принадлежности этих объектов к тому или иному классу.

Методы и способы обнаружения и распознавания рыбных скоплений по гидролокационным сигналам с успехом применяются на практике. Но к сожалению, научные разработки, выполняемые в области обработки эхосигналов, еще не нашли столь широкого применения на практике. Поэтому теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении внесли определенный вклад в теорию и практику рыболокации и не потеряли актуальность до настоящего времени. Они способствовали совершенствованию эффективного использования гидроакустической поисковой аппаратуры в промышленном рыболовстве, а также созданию и развитию гидроакустического метода распознавания рыбных скоплений.

К наиболее перспективным ГЛС, обладающим высокими информационными способностями, относятся ГЛС с обработкой сложных зондирующих сигналов и согласованным фильтром, обеспечивающие высокую разрешающую способность по дальности распознавания отдельных отражающих элементов рыбных скоплений.

Существуют различные методы распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений. В данной работе предлагается метод междуцикловой корреляционной обработки сигналов, основанный на устойчивости временных положений существенных максимумов в огибающей взаимно корреляционной функции (ОВКФ), отраженного от дна сигнала с копией излученного сложного зондирующего импульса и неустойчивости флуктуации временных положений этих максимумов для ОВКФ случайных сигналов, рассеянных на рыбных скоплениях с копией сложного зондирующего импульса. Эти статические закономерности подтверждены экспериментально и могут использованы распознавания рыбных скоплений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие результаты:

1. Обоснован выбор параметрической излучающей аппаратуры для снижения помех донной реверберации при распознавании рыбных скоплений.

2. Обоснован выбор формы зондирующих импульсов в виде сложных частотно модулированных сигналов для снижения амплитудных флуктуаций принимаемых гидролокационных сигналов.

3. Праведен анализ возможных научно — технических решений для распознавания рыбных скоплений на фоне донной реверберации.

4. Разработан метод распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений на основе способа (метода) междуцикловой корреляционной обработки сигналов.

5. Сформировано решающее правило распознавания гидролокационных сигналов от рыбных скоплений и донных отражений на основе оптимального критерия Байеса.

6. Проведена экспериментальная проверка разработанного метода путем обработки в несколько соседних циклах гидролокационных сигналов от рыбных скоплений и дна, полученных в результате морских испытаний на Каспийском море.

1. Тикунов А. И. Рыбопоисковые приборы и комплексы. Л.: Судостроение, 1989 - 288 с.

2. Бухарев С. А., Карасев В. В. Использование методов и средств нелинейной гидроакустики в рыбопоисковой технике. — Владивосток, 2001 -105 с.

3. Кобяков Ю. С и другие. Конструирование гидроакустикой рыбопоисковой аппаратуры. JL: Судостроение, 1986 - 272 с.

4. Букатый В. М. Поиск объектов промысла.- Калининград, 2000 208 с.

5. Барабаш Ю. А., Варский В. В., Зиновьев В.Г и др. Вопросы статистической теории распознавания.- М.: Сов.радио, 1967 — 400 с.

6. Горелик А. Л., Скрипкин В. А Методы распознавания.- М.: Высшая школа, 1984-208 с.

7. Ольшевский В. В. Статистические методы в гидролокации (Модели, алгоритмы, решения). Л.: Судостроение, 1983 — 280 с.

8. Колесникова А. Е. Справочник по гидроакустике. Л.: Судостроение, 1988-340 с.

9. Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов./ Пер. с анг. М.:Мир//, 1978-410с.

10. Урик Р.Дж. Основы гидроакустики. /Пер с анг//. Л.: Судостроение, 1978-445 с.

11. Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения. Л: Судостроение, 1982 — 200 с.

12. Давыдов B.C. «Повышение помехозащищенности распознавания тел сложной формы по отраженным акустическим сигналам.// Техническая акустика. 1994 т.З вып.1-2 (7-8).С. 59-63.

13. Давыдов B.C., Иванов Ю.Г. Распознавание эхо-сигналов от тел сложной геометрической формы на фоне случайных реверберационных помех/ Труды VI Международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики", СПб: 2002.С. 75-77.

14. Давыдов B.C. Распознавание сложных целей в радиолокации. Учебное пособие. Санкт-Петербург 2002 — 79 с.

15. Небабин В. Г., Сергеев В. В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М. Радио и связь, 1984 — 214 с.

16. Орлов JI. В, Шабров А. А. Гидроакустическая аппаратура рыбопромыслового флота (расчет и проектирование).: JI. Судостроение, 1987 — 222 с.

17. Андреева И.Б., Белоусов А. В., Львовская Г.Ф., Тарасов Л. Л. Акустические свойства плотных скоплений пелагических животных в океане. // Акустический журнал 1994, том 40, № 1, С. 9 16.

18. Бабайлов Э. П., Дубов А. А. Отражение звука от скоплений газовых пузырей в жидкости.// Акустический журнал 1989, том 35, №5, С. 779-783.

19. Куртепов В.М. Об определении частотно-угловой зависимости коэффициента отражения звука от дна в мельком море.// Акустический журнал 1995, том 41, №1, С. 106-111.

20. Матвеев А.Л., Митюгов В. В. Определение параметров движения подводного объекта.// Акустический журнал 2002, том 48, №5, С. 653-660.

21. Воловов В.И. Фильтрация пространственных флуктуаций амплитуды отраженных от дна акустических сигналов.// Акустический журнал 1995, том 41, №4, С. 576-560.

22. Певцов Г. В., Костецкий В. И., Галкин С. А. Методика синтеза алгоритма распознавания радиоизлучений, заданных сложным эталоннымописанием, оптимального по критерию максимума апостериорной вероятностей. // Радиоэлектроника 1999, №2, С. 61-68

23. Певцов Г.В. Синтез алгоритма распознавания образов, заданных сложными эталонными описаниями в метрике азимутов на источники радиоизлучений // Радиоэлектроника 2000, №4, С. 38-45.

24. Павлов Ю. К. Принцип функционирования стационарных гидроакустических средств и систем мониторинга рыбных запасов.// Техническая акустика. 1994 т.З вып.1-2 (7-8).С. 63-68.

25. Шаталов А. А., Ястребков А. Б. Адаптивный алгоритм распознавания сигналов различных объектов, принимаемых на фоне помех.// Радиоэлектроника 2002, №11, С. 54-63.

26. Лаврентьев Е. А., Шаталов А. А. Алгоритм распознавания протяженных объектов, в условиях априорной неопределенности статистических характеристик сигнала и шума.// Радиоэлектроника 2002, №11, С. 63-74.

27. Пат. 1815615 А1 SU, GOIS 15/00.

28. Пат. 1802353 А1 SU, G 01 S 15/96.

29. Пат. 1821733 А1 SU, G 01 S 15/04.

30. Пат.1809405 А1 SU, GOIS 15/87.

31. Пат. 1802352 А1 SU, G 01 S 15/96.

32. Пат.2010263 CI RU, G 01 S 15/96.

33. Пат.2029973 CI RU, GOIS 15/96.

34. Пат.2050558 CI RU, GOIS 15/00.

35. Пат.2050559 CI RU, GOIS 15/00Д5//02.

36. Пат.2038615 CI RU, GOIS 15/00.

37. Пат.2006877 CI RU, GOl S 15/00.

38. Пат.2008692 CI RU, G Ol S 15/96.

39. Колесникова И. К., Румынская И. А. Основы гидроакустики и гидроакустические станции. JL: судостроение, 1970 — 328 с.

40. Колчеданцев А. С. Гидроакустические станции. JL: судостроение, 1982-237 с.

41. Митько В. Б., Евтютов А. П. Инженерные расчеты в гидроакустике. JI.: судостроение, 1988 — 287 с.

42. Зарайский В. А, Тюрин А. М. Теория гидролокации. Военно-морская академия. Ленинград, 1975 — 604 с.

43. Гусев В. Г. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.: судостроение, 1988 — 263 с.

44. Свердлин Г. М. Прикладная гидроакустика. Л.: судостроение, 1990 —319с.

45. Бурдик В. С. Анализ гидроакустических систем. Л.: судостроение, 1988-391с.

46. Ильичев В. И. и др. Статистическая теория обнаружения гидроакустических сигналов. М. Наука, 1992 — 415 с.

47. Новиков Б. К, Руденко О. В, Тимошенко В. И. нелинейная гидроакустика. Л: судостроение, 1988 263 с.

48. Сапрыкин В. А., Волошин А. К., Рокотов С. П. Цифровая обработка гидроакустических сигналов. Петродворец. 1988.

49. Сапрыкин В. А., Рокотов С. П. Теория обработки гидроакустических информации. Петродворец. 1986.

50. Горелик А. Л., Скрипкин В. А Методы распознавания// М.: Высшая школа, 1989 208 с.

51. Горелик A.JI. Селекция и распознавание на основе локационной информации. М «Радио и связи». 1990

52. Юданов К.И., Калихман И.Л., Теелер В.Д. Руководство по проведению гидроакустических съемок//Мин-во рыб. Хоз-ва СССР/ ВНИИ мор. рыб. хоз-ва и океанографии. М.: 1984 124 с.

53. Дороднова И.А, Имитационное моделирование эхо-сигналов от рыбных скоплений//Тр8-й Всесоюз. конф. по информ. авустике. М: АКИН. 1984. С. 30-32.

54. Бьерне Л. Подводная акустика и обработка сигналов. М.: Мир; 1985 —484с.

55. Гаврилов A.M., Горбачев Н.Н., Котляров В.В.и др. Исследование отражающих характеристик осетровых рыб в широкой полосе частот. //Прикладная акустика: межвуз. сб. Таганрог: ТРТИ. 1985. Вып.11. С. 51-56

56. Ольшевский В.В., Мороз Т.А., Теоретические и экспериментальные исследования морокой реверберации. Л.: ЦНИИ "Румб", 1976 131 с.

57. Штагер Е. А., Чаевский Е. В. Рассеяние волн на телах сложной формы. -М. Сов. Радио 1974.

58. Давыдов В. С. Алгоритм выделения существенных максимумов в огибающей эхо-сигнала // Тезисы II Всесоюз. акустического семинара "Методы, алгоритмы принятия решений". Л., 1988. С. 19-21.

59. Ван-Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т. 3. М., Советское радио, 1977 664 с.

60. Давыдов B.C., Лукошкин А.П., Шаталов А.А., Ястребков А.Б. Радиолокация сложных целей // СПб.: ЯКИС, 1993.

61. Давыдов B.C., Нгуен Т.Т., Хренов М.Ю. Методы повышения дальности распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений // «Радиоэлектроника известия высших учебных заведений России» Выпуск 1 -2004. С. 17-26.

62. Выонг Х.Т., Давыдов B.C., Нгуен Т.Т., Тарасов С.П. Результаты распознавания рыбных скоплений на фоне донных отражений по гидролокационным сигналам // «Известия» СПбГЭТУ «ЛЭТИ». Серия «Радиоэлектроника и телекоммуникации» Выпуск 2. СПб., 2004. С. 3-5.

63. Выонг Х.Т., Давыдов B.C., Нгуен Т.Т., Богданов Е.В. Схемы кодирования информации, переедаемой по гидроакустическому каналу связи в мелком водных районах океана // «Радиоэлектроника — известия высших учебных заведений России» Выпуск 3 -2004. С. 27-33.

64. Генкин Е.Л., Ерош И.Л., Москалев И.С. Системы распознавания автоматизированных производств. — Л.: Машиностроение. Л. О., 1988 246 с.

65. Соколов К.Г. Распознавание радиолокационных объектов при воздействии аддитивных и мультипликативных помех // Радиотехника. — 1990. -№7. С. 3 - 6.

66. Бородин В.И., Смирнов Г.Е., Толстякова Н.А., Яковлев Г.В. Гидроакустические навигационные средства. Л.: Судостроение, 1983 261с.

67. Матвиенко В.Н., Тарасюк Ю.Ф. Дальность действия гидроакустических средств. JL: Судостроение, 1981 -203 с.

68. Яковлев А.А., Каблов Г.П. Гидролокаторы ближнего действия. JL: Судостроение, 1983 199 с.

69. Бреховских JI.M., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1982- 264 с.

70. Сапрыкин В. А., Рокотов С. П. Теория гидроакустики и цифровая обработка сигналов. Часть 1. Петродворец. 1991- 313 с.

71. Сапрыкин В. А., Рокотов С. П. Теория гидроакустики и цифровая обработка сигналов. Часть 2. Петродворец. 1991 —415 с.

72. Колосов А. А. Обнаружение радиосигналов. М.: Радио и связь, 1989 —287 с.

73. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Советское радио, 1974-360 с.

74. Ширман Я.Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Советское радио, 1981 — 416 с.

75. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. Питер. 2005 603 с.

76. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. Мое.: «Высшая школа», 1988-448 с.

77. Бакулев П.А, Степин В.М. Методы и устройства селекции движующих целей. Мое.: Радио и связь. 1986 — 286 с.

78. Букатый В.М. Промысловая гидроакустика и рыболокация. Мое.: Изд. Мир. 2003- 496 с.

79. On the classification of underwater acoustic signals. II. Experimental application involving fish. L.M. Deuser, D. Middeleton, T.D. Plemons , J.K. Vaughan // The Journal of the acoustical society of America. 1979. v 65. № 2. P. 444455.

80. Акустика морских осадков. / Под ред. JI. Хэмптона. М.: Мир, 1977.534 с.

81. Ивлиев С. В. Кравченко В. В. Использование методов нелинейной гидроакустики при излучении и приёме сигналов. Владивосток — 1991. — 82 с.

82. Нелинейная гидроакустика и перспективы её применения // Морской сборник/ Под. Ред. О. Пахомов, В. Мартынюк — Выпуск 11, 1984. — С. 71-74.

83. Новиков Б. К. Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. — JI.: Судостроение, 1981. -264 с.

84. Смарышев М. Д. Добровольский Ю. Ю. Гидроакустические антенны. (Справочник). JL: Судостроение, 1984. — 304 с.

85. Справочник по гидроакустике/ А. П. Евтютов, А. Е. Колесников, Е. А. Корепин и др. 2-е изд., перераб. и доп. — JL: Судостроение, 1988. — 552 с.