WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«2 РЕФЕРАТ Отчет 64 с, 36 рис.,0 табл., 30 источников. Ключевые слова: ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА, ЭХОЛОТ, ПРОФИЛОГРАФ, МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА, ЛЧМ СИГНАЛ, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА. Объектом ...»

2

РЕФЕРАТ

Отчет 64 с, 36 рис.,0 табл., 30 источников.

Ключевые слова: ГИДРОЛОКАТОР БОКОВОГО ОБЗОРА, ЭХОЛОТ, ПРОФИЛОГРАФ,

МНОГОЭЛЕМЕНТНАЯ АНТЕННА, ЛЧМ СИГНАЛ, ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА.

Объектом исследований является задача определения рельефа морского дна и

структуры донного грунта и водной среды при зондировании когерентными сложными

акустическими сигналами.

Цель работы – разработка систем и методов определения рельефа и подповерхностной структуры морского дна и объектов в водной толще.

Приведено описание метода обработки данных профилирования, заключающегося в преобразовании одноканальных данных, полученных зондированием широкополосного ЛЧМ сигнала в два когерентных канала, соответствующих разнесенным по частоте двум ЛЧМ посылкам. Приведенные результаты показывают на возможность применения метода для классификации донных отложений.

Приведено описание макета многофункционального гидролокационного комплекса, включающего в себя интерферометрический многоэлементный ГБО (4 канала на борт), эхолот и линейный профилограф. Приведенные результаты показали эффективность таких систем для исследования сразу трех сред – водной толщи, рельефа морского дна и подповерхностной структуры морского грунта. Сведенные в одной системе данные проще привязать друг к другу при интерпретации результатов измерений. Приведено как техническое описание комплекса, так и состав разработанного к настоящему времени программного обеспечения.

Приведено описание некоторых алгоритмов обработки сигналов для цели батиметрических измерений и профилирования. Часть этих алгоритмов отрабатывалась на данных уже проведенных измерений, другие рассматриваются как возможные направления дальнейших работ. Целью разработки этих алгоритмов является совершенствование интерферометрических измерений при использовании многоэлементных антенн, например, комплекса описанного выше.

Приведено описание макета комплекса с ГБО и подводной навигации, результаты первых тестовых испытаний.

Приведены структурная схема и технические решения ГБО для автономного катера с радиоуправлением. Подобные системы удобны при проведении работ на малых водоемах.

Приведены примеры практического использования комплексных гидроакустических систем для исследования подводных сооружений, вулканов и водной среды.

Содержание Введение …………………………………………………………………………………

1. Метод двухчастотного когерентного профилирования для ЛЧМ зондирующего сигнала………………………………………………………………………………. 7

2. Макет многофункционального гидролокационного комплекса…………….. 10

2.1 Состав и технические характеристики ………………………………………… 10

2.2 Встроенное программное обеспечение ………………………………………… 13

2.3 Программное обеспечение реального времени ………………………………... 14

2.4 Post обработка зарегистрированных данных …………………………………… 17

3. Алгоритмы обработки сигналов для многофункционального комплекса…… 23

3.1 Алгоритмы обработки сигналов ГБО для батиметрических измерений …… 23

3.2 Интерпретация результатов профилирования …………………..……………. 31 3.2.1. Профилирование с точки зрения акустики……………………………... 32 3.2.2. Одномерная прямая задача в плоскослоистой среде…………………… 33 3.2.3 Одномерная обратная задача …………………………………………….. 36

4. Система бокового обзора и подводного координирования………… …………. 38

4.1 Структура комплекса ГБО и навигации, схема измерений………………............38





4.2 Алгоритмы координирования ……………………………………………………..39 4.2.1. Квазилинейный алгоритм определения координат………………….. 41 4.2.2. Линейный алгоритм определения координат ………………………… 41 4.2.3. Применение интерферометрических методов ………………………… 45 4.2.4 Точность измерения координат линейным алгоритмом по дальносто- интерферометрическим данным ……………………….. 46.

4. 3 Экспериментальное тестирование системы координирования………………… 47

5. Разработка комплекса ГБО для радиоуправляемого катера……………….. 50

6. Практические примеры использования комплексных гидроакустических систем………………………………………………………….. 53

6.1 Грязевые вулканы Таманского полуострова………………………………….… 53

6.2 Профилирования водной среды…………………………………….………….... 55 Заключение ……………………………………………………………………………… 59 Список источников ………………………………………………………………………61 Приложение 1. Перечень публикаций по данной работе………………………….. 64 Введение Современные системы акустической гидролокации являются одним из главных средств дистанционного анализа структуры водной толщи, рельефа и структуры морского грунта для обеспечения задач мониторинга, геологических, инженерно-технических работ, безопасности судоходства и поиска объектов на морском дне.

Для целей определения рельефа дна сформировались два, в некотором смысле конкурирующих, направления: многолучевые эхолоты и интерферометрические ГБО.

Первые это сложные дорогостоящие комплексы с числом элементов от 100 и выше, вторые – более простые и дешевые, в которых для вычисления глубины в принципе достаточно двух антенн. Основной недостаток интерферометрических систем – ограничение селекции сигналов по углу прихода в районах сложного рельефа морского дна. Однако в последнее время появились работы, связанные с использованием систем с небольшим числом приемных элементов, порядка 4-6. Эти системы нельзя отнести к интерферометрическим, так как в алгоритмах обработки используются дополнительные возможности селекции эхо сигналов по углу. Но и многолучевыми их назвать нельзя. Именно к таким системам можно отнести комплекс, описанный во второй главе. Разработка алгоритмов обработки сигналов для таких систем, включая адаптацию методов действительно многоэлементных систем, и является одной из задач данной работы.

Актуальной является и задача определения структуры морской воды, грунта (стратификация) по данным гидролокационных измерений. Эта задача решается как путем совершенствования технических характеристик аппаратуры мониторинга донного грунта и водной толщи, так и методов интерпретации результатов измерений, направленных на увеличение точности и достоверности дистанционной классификации. Методы обработки данных профилирования условно можно разделить на два этапа – определение акустических параметров (плотности, скорости звука или их комбинаций) и собственно стратификацию – выделение отдельных типов грунта (илы, пески, глины и т.д.). Стратификация является существенным образом геологической задачей, и использует в совокупности, как результаты профилирования, так и данные проб грунта в нескольких точках, геологической формации и множество других дополнительных данных. Определение физических параметров морского грунта по данным профилирования является еще одним направлением данной работы.

1. Метод двухчастотного когерентного профилирования для ЛЧМ зондирующего сигнала.

Стандартным способом обработки отраженного сложного сигнала профилографа (как и ГБО) является свертка принятого сигнала с моделью, эталонной посылкой [1]. Однако в случае профилирования ситуация осложняется тем, что зондирующий сигнал, последовательно отражается от неоднородностей дна на разной глубине и при этом происходит изменение его спектра. Трансформация спектра заключается в затухании высокочастотной части спектра относительно низкочастотной.

Строго говоря, стандартный метод обработки в такой ситуации неприменим. Вместо

–  –  –

например, задача в какой-либо форме закона изменения спектра. Здесь предлагается более простой способ – сведение нестационарной задачи к стандартной путем разбиения полного спектра сигнала на части [2,24].

Исследования амплитудных и фазовых характеристик эхо-сигналов профилографа по такой методике проводились по данным, полученным в эксперименте по профилированию глубоководного участка дна в Охотском море.

Профилирование проводилось линейным профилографом со следующими техническими характеристиками:

1. Приемопередающая акустическая антенна 120 х 120 см.

2. Тип излучаемого сигнала - импульсный с линейной частотной модуляцией.

3. Диапазон рабочих частот - 3.75 кГц - 7.5 кГц.

4. Излучаемая электрическая мощность- 3 кВт.

5. Длительность излучения - 33мс

6. Период повторения импульсов - 2 импульса в секунду ( зона однозначности по дальности - 397 метров).

7. Частота квантования эхо-сигнала – 15486 Гц.

Для исследования частотной зависимости распространения сигналов в слоистых водонасыщенных осадках была применена методика, заключающаяся в раздельной обработке эхо-сигналов из нижней половины 3.75 кГц - 5.375 кГц и верхней половины спектра 5.375 кГц -7.5 кГц. по стандартной методике. Частотное разделение ЛЧМ посылки осуществлялось делением модельной посылки на две части по времени и обработкой с учетом запаздывания. Таким образом одноканальные даны (полная полоса) разбивались как бы на два канала (с разными моделями), соответствующие низкочастотной и высокочастотной частям спектра полной модели. Средняя длина волны для первого варианта обработки равна 22 см, а для второго – 31 см. Соответствующие этим вариантам обработки изображения приведены на рис. 1.2. Акустические изображения донных отложений, приведенные на рисунках 1.2 отражают слоистость, однако они недостаточно информативны и позволяют провести лишь приблизительную классификацию, поскольку природа слоистости может быть различной, и связана как с изменяющейся плотностью осадков, так и с возможной интерференцией сигналов при прохождении через границы слоев. Отличие в амплитудных изображениях слоев на изображениях, полученных на разных частотах, очевидно. На условно «низкочастотном» изображении первые слои не столь ярки, как на «высокочастотном». Кроме того, в первом случае видно большее количество слоев, в том числе и на больших дальностях (см., например, слой на глубине 1490 м). Отличия этих изображений по степени глубины профилирования могут быть объяснены меньшим поглощением акустических волн в водной среде и грунте на низких частотах. По этой же причине изображение на рисунке менее зашумлено.

Для исследования информативности фазовой информации при классификации донных отложений было проанализировано распределение по дальности приращения разности фаз сигналов на «низкочастотной» и «высокочастотной» картинке. Этот подход, известный в радиофизических исследованиях космоса, как дисперсионная интерферометрия, позволяет расширить возможности зондирования сред прохождения сигнала, расширить возможности классификации исследуемых сред.

Проанализирована информация о разности фаз сигналов, соответствующих акустических изображений для высокочастотной и низкочастотной составляющих зондирующего сигнала.

Анализ показывают на неслучайный характер измеряемых величин и возможность статистической обработки для выявления устойчивых признаков для дистанционной классификации донных отложений.

На основании проведенных исследований показана перспективность дальнейших исследований по возможной дистанционной классификации донных отложений и намечены пути решения задачи, как для шельфовых, так и для глубоководных районов морей и океанов.

Рис 1.2. Профили участка морского дна:

сверху - низкочастотной частью зондирующего импульса. (3.75 кГц - 5.625 кГц), середина - высокочастотной частью зондирующего импульса. (5.625 кГц - 7.5 кГц), снизу - полученный по результатам свертки эхо-сигнала с зондирующим сигналом во всей полосе частот.

2. Макет многофункционального гидролокационного комплекса.

При проведении изыскательских работ часть работ проводится с маломерного катера.

Для этой задачи комплекс, совмещающий в себе несколько функций, удобнее нескольких отдельных приборов. Например, сбор данных о качке и положении судна осуществляется программой одного микропроцессора в реальном времени, а не ПЭВМ каждого из приборов в отдельности. Также обеспечивается одновременность излучения всех зондирующих импульсов, что снижает влияние приборов друг на друга. В ФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, в рамках данной работы разработан такой комплекс, совмещающий в себе интерференционный и амплитудный гидролокатор бокового обзора, промерный высокочастотный эхолот и низкочастотный профилограф с единым управляющим контроллером и одной регистрирующей вычислительной машиной [25].

2.1 Состав и технические характеристики комплекса.

В состав гидролокационного комплекса входят:

1. Интерферометрический гидролокатор бокового обзора для рабочей частоты 240 кГц.

2. Профилограф с рабочими частотами 4.5 – 9 кГц.

3. Эхолот для рабочей частоты 200 кГц.

Общая блок-схема гидролокационного комплекса и антенной системы ГБО приведены на рисунке 2.1.

Объектом данной разработки является совокупность устройств, обведенная на рисунке пунктиром и состоящая из:

1. Антенная система интерферометрического ГБО, состоящая из 2-х приемопередающих антенн и 6 приемных антенн.

2. Приемопередающая антенна профилографа.

3. Приемопередающая антенна эхолота.

4. Усилитель мощности интерферометрического ГБО.

5. Усилитель мощности профилографа.

6. Усилитель мощности эхолота.

7. 10-и канальное приемное устройство (8 каналов интерферометрического ГБО, 1 канал профилографа, 1 канал эхолота).

–  –  –

Рис. 2.1b. Антенная система интерферометрического ГБО. 1- приемопередающая антенна, 2 – монолитный блок из 3-х приемных антенн. Вид с одного борта.

На рисунке 2.2 представлен электронный блок в состав которого входят 3 усилителя мощности, 10-и канальное приемное устройство, синтезатор зондирующих сигналов и блок питания.

–  –  –

Устройство формирования зондирующих ЛЧМ сигналов в трех диапазонах частот, многоканального ввода в вычислительную машину и когерентной обработки сигналов разработано на основе помехоустойчивого интерфейса к гидролокационным системам с ЛЧМ зондирующим импульсом [2, 3, 4].

Разработаны гидролокационный комплекс обладает следующими техническими характеристиками:

1. Разрешающая способность интерферометрического ГБО по направлению движения

1.5 градуса. Разрешение по наклонной дальности - 0.03 м.

2. Рабочая частота интерферометрического ГБО 240 кГц.

3. Средняя квадратичная погрешность измерения глубин интерферометрического ГБО в полосе обзора до 3-х глубин не хуже 1% от глубины съемки, чувствительность к изменению коэффициента обратного рассеяния грунтов не менее 10%.

4. Полоса съемки (обзора) интерферометрического ГБО до 300 м на один борт;

5. Зондирующий сигналы - импульсный с линейно-частотной модуляцией, для всех систем.

6. Диапазон рабочих частот профилографа 4.5 – 9 кГц.

7. Разрешение профилографа по дальности - 0.2 м.

8. Диапазон рабочих глубин профилографа 3- 1000 м.

9. Глубина профилирования донных осадков профилографа до 100 м.

10. Рабочая частота эхолота 200 кГц.

11. Разрешение по дальности эхолота – 0.05 м.

12. Диапазон рабочих глубин эхолота 0.7 – 100 м.

13. Электропитание осуществляется от сети переменного тока 220 В 50 Гц.

14. Диапазон рабочих температур +10 - +40 градусов Цельсия.

15. Электронный блок гидролокационной системы изготовлен в конструктиве europakPRO, высотой 3U. Размеры блока – 360x175х270 мм.

16. Обмен данными гидролокационного комплекса с вычислительной машиной осуществляется по сетевому интерфейсу Ethernet 100 Мb/c на расстояние до 100 м.

2.2 Встроенное программное обеспечение.

Встроенное программное обеспечение микроконтроллера по включению питания производит инициализацию системы и ожидает приёма командных пакетов от вычислительной машины. По приходу командного пакета управляющая программа задает параметры работы таймеров времени излучения и регистрации строки данных, работающих непрерывно, параметры работы таймеров дискретизации данных и гетеродинов, работающих во время интервала регистрации строки, задает адрес памяти временных диаграмм воспроизводимых сигналов ЛЧМ, разрешает тактовый сигнал системы таймеров и данные с АЦП начинают передаваться в память по каналу прямого доступа, по окончании регистрации строки счетчики таймеров дискретизации данных и гетеродинов сбрасываются в 0 и запускается передача данных в ПЭВМ через Ethernet интерфейс. Сброс счетчиков в 0 обеспечивает когерентность и приём последовательных зондирующих импульсов. Процесс регистрации повторяется непрерывно до прихода пакета останова от ПЭВМ. Данные датчиков спутниковой навигации, крена, дифферента, вертикальных перемещений и курса принимаются и передаются в ПЭВМ отдельными пакетами.

2.3 Программное обеспечение реального времени.

Программное обеспечение для ввода и регистрации данных комплекса предназначено:

1. Ввода и регистрации данных от комплекса.

2. Ввода и регистрации данных спутниковой навигации от устройства через Ethernet или по com-портам ПЭВМ.

3. Ввода и регистрации данных от датчиков крена, дифферента, вертикальных перемещений и курса.

4. Тестирования работы аппаратуры комплекса в лабораторных условиях.

5. Оценка качества регистрируемой информации в режиме реального времени.

6. Просмотр и частичная обработка зарегистрированных данных.

Блоки регистрации реального времени предназначены для ввода и записи на жесткий диск сигнальных данных (ГБО, эхолота и профилографа), приема и записи навигации, данных с датчиков крена, дифферента, вертикальных перемещений и курса.

Эти блоки реализованы в двух вариантах и показаны на рис. 2.3. В первоначальном первом варианте (рисунок сверху) отображается одновременно вся информация (ГБО, интерферометрия, профилограф и эхолот). Однако практика первых измерений показала, что в реальной длительной работе такая форма представления трудно воспринимается. Во втором, более простом варианте, расширено поле ГБО и выводится только данные либо эхолота (на рисунке), либо профилографа. Варианты отличаются только формой вывода, в остальном идентичны. Программно блоки регистрации представляет собой многопоточное приложение, в котором ввод сигнальных данных, ввод информации с датчиков, обработка и отображение, запись на диск производится в отдельных синхронизованных потоках. Ввод сигнальных данных осуществляется по сетевому интерфейсу с помощью протокола UDP.

Управление аппаратурой комплекса производится подачей стартового пакета, содержащего всю необходимую информацию: параметры сигнала, длительности зондирующей посылки и время приема и т.д. Стартовым пакетом производится как запуск, так и останов. По старту аппаратура формирует зондирующий импульс и начинает прием. Цикл передача – прием формирует строку данных, которые передаются в блок регистрации. Этот цикл повторяется до момента посылки в аппаратуру стартового пакета с параметром стоп. Сигнальные данные строки передаются не сплошным массивом, а разбиваются на отдельные фрагменты. Размер фрагменты обычно 1024 байта и содержит номер строки и порядковый номер фрагмента в строке. Номер строки формируется аппаратурой и последовательно увеличивается на 1.

Амплитуда ГБО Акустическое изображение ГБО Фаза ИГБО Данные эхолота Данные профилографа Рисунок 2.3. Панели блока регистрации: сверху полный вариант, снизу сокращенный.

Архивизация данных в блоках регистрации.

Основная задача блоков регистрации реального времени – архивизация сигнальных данных по 10 каналам с интерфейсного блока, данных навигации, курса, крена, дифферента и вертикальных перемещений, поступающих с COM портов. В первых вариантах программы сбора это производилось записью разных данных в разные файлы. C целью более точной синхронизации разнородных данных разработана новая система архивизации. Сохранение принятых данных, как двоичных сигнальных, так и текстовых от датчиков производится единообразно “конвейерным” способом. Все данные формируются в виде пакетов и последовательно по мере приема заносятся в буфер пакетов, как бы ставятся на непрерывно движущуюся ленту конвейера. Во время занесения пакета от устройства, буфер пакетов недоступен для других устройств. Буфер пакетов состоит из двух частей, в один заносятся текущие пакеты, другой в это время записывается на диск. Запись также производится в виде последовательности заголовок-данные и по виду напоминает широко известный формат XTF, однако, с расширенным и фиксированным заголовком. Буфер пакетов последовательно записывается на диск порциями в виде отдельных файлов (с расширением *.xrf). Пакет состоит из заголовка и собственно данных. Формат заголовка пакетов приведен ниже typedef struct _XRFPACK_HEADER_ {UINT DatSize; // размер данных в байтах short Dev; // код устройства short PackType; // тип пакета long LineNumber; // номер строки данных short Error; // признак ошибки TDateTime Tr; // дата/время приема пакета компьютерное TDateTime Td; // дата/время устройства int Vers; // версия } XRFpackHdr;

Как видно из формата заголовка, такой тип записи легко приспосабливается к произвольным, разнородным данным. Файлы *.XRF представляют своеобразную полную базу данных измерений, хранящую данные от различных источников, как в двоичном, так и в текстовом форматах.

2.4 Post обработка зарегистрированных данных.

Блоки постобработки предназначены для проверки записанных данных, просмотра и преобразования в различные форматы для последующей работы. На рис.2.4 показаны блоки просмотра данных в формате реального времени.

Рис. 2.4. Блок просмотра Replay в форме реального времени. Вариант 1,2.

Приведенные выше программные блоки предназначены для работы с исходными данными в виде совокупности пакетов. Этот формат данных сравнительно новый, а его использование обусловлено появлением в комплексе разнородных источников информации. Для обработки данных нового формата уже имеющимися программами, добавлены блоки преобразования форматов. На рис. 2.5 показаны примеры вывода сигнальных данных, извлеченных из общей базы данных в отдельные файлы.

Рис. 2.5.1 Блок просмотра данных интерферометрического ГБО (сверху – изображение, снизу – фаза). Район искусственных борозд.

Рис. 2.5.2 Блок просмотра данных интерферометрического ГБО (сверху – изображение, снизу – фаза). Участок съемки дна с резким изменением глубины.

С точки зрения исследования водной среды представляет интерес вариант одновременного вывода данных трех приборов: ГБО, профилографа и эхолота. Такой вариант просмотра реализован в блоке, показанном на рис. 2.6. Аналогичный вывод для раздельной регистрации, приведенный в главе 6, требует гораздо больше усилий, здесь это производится автоматически.

Рис. 2.6.1. Блок просмотра (последовательно сверху вниз) данных ГБО (канал задается), профилографа и эхолота. Стрелками показан объект в водной среде, который отображается тремя устройствами с разной несущей частотой и разными диаграммами направленности.

На изображениях высокочастотного ГБО и низкочастотного профилографа водный объект отображается как некоторое подобие облака, на изображении высокочастотного эхолота с узкой диаграммой он разрешается как совокупность отдельных светящихся точек. Вероятно, это стая рыб.

Ниже представлен фрагмент такой формы вывода для файла A_041_000 первой серии испытаний в Финском заливе. На изображении ГБО отмеченный объект отображается как борозда на поверхности, на профилографе – размытый разрыв в поверхностном слое, а на эхолоте – яркая точка над поверхностью. Вероятно, это кабель (или труба), приподнятая над поверхностью. Темный разрыв – это акустическая тень.

Рис. 2.6.1. Блок просмотра данных ГБО, профилографа и эхолота. Фрагмент файла A_041_000. Снизу показан увеличенный фрагмент изображения эхолота.

Следует отметить также, что наличие эхолота позволяет значительно облегчить обработку данных ГБО, при которой наиболее трудной является выделение линии дна. На данных эхолота это производится программно, практически не требуя усилий оператора. Более того, данные эхолота более точны по сравнению с ГБО, особенно на участках сложного рельефа.

И наконец, в качестве примера использования данных комплекса уже существующими программами обработки [26], на рис. 2.7 приведена батиметрическая карта одного из районов испытаний в Финском заливе.

Рис. 2.7. Пример трехмерной батиметрической карты, построенной по интерферометрическим данным комплекса.

Некоторые интересные результаты комплексных гидрографических работ c использованием интегрированных систем (в данном случае ГБО и профилографа) приведены в главе 6. Использование в аналогичных работах вышеприведенной системы позволит значительно упростить обработку данных, повысить информативность и наглядность результатов.

3. Алгоритмы обработки сигналов для многофункционального комплекса.

3.1 Алгоритмы обработки сигналов ГБО для батиметрических измерений.

Для систем бокового обзора характерна двухмерная постановка задач определения рельефа морского дна. Определению подлежит сечение рельефа плоскостью бокового обзора (X-Z), как показано на рис. 3.1. Реальный трехмерный профиль рельефа обеспечивается последовательным движением судна (вдоль оси Y на рисунке).

Интерферометрические системы

–  –  –

Рис. 3.1 Геометрия приема. Красные линии – линии равной дальности.

В реальных случаях, при сложном рельефе, на одной дальности может существовать несколько отражающих точек (типа B на рисунке). В частности для точки О в начале координат (“под собой”) при неровном, но в целом плоском рельефе сектор малых углов прихода фактически находится на одной дальности, примерно равной глубине “под собой” H. Разделить сигналы по углу прихода в чисто интерферометрических системах невозможно.

Возможность селекции по углу прихода появляется при использовании многоэлементных антенн.

Многоэлементные (многолучевые) системы.

Рассмотрим морское дно (и водную толщу) как отражающую среду, имеющую некий коэффициент отражения R(, L) как функцию дальности L и угла прихода. Для активных локационных систем, основанных на приеме отраженных сигналов, это единственная характеристика доступная для исследования. Ставится следующая задача: по совокупности измеренных значений отраженного сигнала Z n (t ) в N точках (антеннах) определить изменение R(, L). Предполагая, что принятый в каждой антенне сигнал является совокупностью отраженных с различных дальностей и углов прихода копий зондирующего узкополосного сигнала S 0 (t ) модель измерений записывается в виде

–  –  –

Здесь С- скорость звука, n ( ) = ln sin( ) / C - относительная задержка сигнала в отдельных антеннах, - угол прихода, ln - относительное смещение, 0 - несущая частота. Для линейных антенных решеток вместо переменных дальности и угла прихода используются задержка и переменная u = sin( ) и соотношение для модели принятого сигнала становится Z n (t ) = Z (ln, t ) = R(u, ) S0 (t ) exp( 2 i ln u )dud (3.1.1) Задача определения двумерного коэффициента отражения распадается на два последовательных этапа, по дальности и по углу, что характерно для узкополосных систем.

Запишем это соотношение в виде последовательности двух одномерных обратных задач:

~ Z n (t ) = Z n ( )S0 (t )d Z n (t ) = R (u, ) exp( 2 i ln u )du.

~ Первое служит для определения отсчетов Z n (t ) и решается стандартной процедурой согласованной обработки, характерной для сложного сигнала. Второе уравнение определяет обратную задачу по углу, и это типичная задача спектрального оценивания, которая формулируется следующим образом (опуская зависимость от дальности) - по дискретному ~ набору отсчетов Z определить непрерывную функцию R (u ) n

–  –  –

Здесь N- число отсчетов (приемных антенн) и число отсчетов коэффициента отражения по углу для каждой дальности. Значения Rm находятся обратным преобразованием Фурье.

Характерный вид распределения коэффициента отражения (для глубоководной системы) приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2 Определение R(u, ). Глубоководная полуволновая система. Красной линией на этом рисунке отображается линия равной дальности.

Угловое разрешение u при использовании стандартной формы преобразования Фурье полностью определяется числом антенн N. В современных промышленных многолучевых системах число антенн при использовании преобразования Фурье для достижения высокого разрешения может достигать нескольких тысяч.

Параметрические методы. При небольших количествах антенн для достижения высокого пространственного разрешения необходимо принимать дополнительные, однако, вполне реальные допущения. Как видно из рис. 3.2, линия равной дальности пересекает профиль глубины в конечном числе точек (в двух на рисунке). Тогда для эквидистантной решетки можно в (1) перейти от интеграла к сумме по M неизвестных источников (отражателей) M 1 ~ Z n = Rm exp((2 i L) n um ) (3. 1.3) m =0 Для решения нелинейной задачи определения величин амплитуд Rm и углового положения

–  –  –

направленности и определяется расположением приемных элементов антенной системы ln.

Известно, что решение уравнения типа (3.5) – некорректная задача.

Метод регуляризации Тихонова [5] позволяет перевести некорректную задачу решения однородного уравнению (5) в корректную задачу решения неоднородного уравнения и заключается в добавлении к среднеквадратичному условию (функционалу) 0 дополнительного регуляризующего члена R, зависящего от искомого спектра R (u ).

Причем этот метод можно использовать как относительно непрерывной модели измерений (2), так и относительно его дискретного аналога (3). В дискретной модели имеется N отсчетов входного сигнала Z n, требуется найти M отсчетов спектра Rm, причем для улучшения разрешения требуется, чтобы выполнялось условие M N. Значения моментов времени ln и частот um произвольны, но фиксированы (заданы). Запишем

–  –  –

где матрица Dm,n = W ( ) exp(i (t m t n )d имеет размерность N, равную числу отсчетов входного сигнала. Матрица D – эрмитова для неэквидистантных отсчетов, в этом случае можно использовать алгоритм Холецкого [3]. Для эквидистантных отсчетов сигнала эта матрица еще и теплицева, в этом случае можно использовать быстрый реккурентный алгоритм решения теплицевых систем [3].

Для вычислений спектра необходимо задать весовую функцию W (u ). Итерационный алгоритм спектрального оценивания высокого разрешения можно построить [11,12], если взять в качестве весовой функции энергетический спектр R(u ) в виде Wk +1 (u) = 1 + Rk (u) - на каждом шаге итерации весовая функция вычисляется по ранее вычисленному спектру, - параметр [7,8]. На рис.3.3 показаны сравнительные результаты применения методов спектрального оценивания при обработке данных многолучевого эхолота – системы, которая представляет собой 32 элементную решетку с расстоянием между элементами в половину длины волны, несущая частота 30 кГц. На рисунке представлена развертка амплитуды углового спектра в координатах глубина – горизонтальная дальность. По N=32 входным отсчетам на каждой дальности производилась оценка спектра в M=256 точек. При этом в плоскости бокового обзора формируется набор отдельных лучей с фиксированным наклоном относительно горизонтали. Верхний рисунок – применение дискретного преобразования Фурье с взвешиванием (N-32 отсчетов дополняются нулями до M и БПФ по M точек), нижний рисунок – применение итерационного алгоритма с регуляризацией. Заметно более высокое угловое разрешение при итерационной регуляризации. К сожалению, высокое угловое разрешение достигается более сложными алгоритмами обработки, и, главное, за счет увеличения времени обработки.

Рис. 3.3 Развертка углового спектра многолучевого 32 элементного эхолота. Сверху – дискретное преобразование Фурье, внизу – регуляризация (число итераций 10).

Когерентные методы - прямое решение системы (3.3) для Когерентные методы.

фиксированного числа источников M и приемников N. Каждый источник в (2) соответствует 3 неизвестным параметрам (комплексный отсчет амплитуды и угол прихода). Для двух источников 6 неизвестных соответствуют 3 комплексным отсчетам. Таким образом, для разделения 2 источников, в принципе, достаточно 3 приемных элементов. Именно это количество содержится в монолитном блоке 10 канальной системы. Алгоритм заключается в

–  –  –

Данный алгоритм может быть непосредственно использован в 10 канальном комплексе, описанном в главе 2.

Определение непосредственно формы рельефа. Приведенные выше методы предназначены для определения коэффициента отражения. Следующим необходимым этапом при батиметрических измерениях является выделение рельефа дна по данным, подобным приведенных на рис. 3.2, 3.3. Практика показала, что это непростая задача.

Представляют интерес алгоритмы непосредственного определения рельефа. Для локационных измерений удобно описывать рельеф в полярной системе координат как зависимость дальности L = L( ) от угла прихода, а более точно, в виде изменения задержки = 0 (u) от угловой переменной u = sin( ). Для целей определения рельефа следует считать, что отражение происходит только от элементов поверхности, координаты каждого элемента отражения определяется угловой координатой u и дальностью = 0 (u).

При этих предположениях модель измерения (3.1) можно записать в виде одномерного интеграла по угловой переменной

–  –  –

Задачей является определение R (u ) и 0 (u) по совокупности измеренных значений отраженного сигнала Z n (t ). Переходя в этом соотношении к спектру (преобразованию Фурье) получим

–  –  –

3.2 Интерпретация результатов профилирования.

Типичная схема профилирования показана на рисунке. Регистрация отраженного от различных слоев грунта зондирующего сигнала при движении судна формирует акустическую картину - профилограмму (в нижней части рисунка). Как изображение, профилограмма представляет совокупность вертикальных строк. Каждая строка соответствует одному циклу: передача зондирующего сигнала S 0 (t ) и прием отраженного

–  –  –

Конечной задачей профилирования, вместе с другими методами является определение структуры морского грунта (стратификация) в виде набора различных типов – песка, ила, глины, камней и т.д. При этом важно понимание, какими параметрами среды определяются результаты профилирования и как эти параметры определяются из наблюдаемых данных.

Зная форму зондирующего сигнала S 0 (t ) и регистрируемый отраженный сигнал S (t ) требуется получить информацию об акустических параметрах морского грунта. В общей постановке решить такую задачу, по-видимому, невозможно. Поэтому на практике приходится прибегать к различного рода приближениям. Одним из таких является сведение трехмерной задачи профилирования к одномерному случаю, когда параметры среды зависят только от одного параметра – глубины Z на рисунке, т.е. морской грунт рассматривается как плоскослоистая среда.

3.2.1. Профилирование с точки зрения акустики.

Распространение звука в стационарной неоднородной среде определяется плотностью и скоростью звука c и записывается уравнением [14-17]

–  –  –

Это уравнение соответствует трехмерной задаче p = p( x, y, z, t ), в одномерной задаче p = p( z, t ) и уравнение распространения акустических волн в этом случае выглядит

–  –  –

Таким образом, результаты профилирования (как одномерной задачи) определяются только импедансом среды (произведением плотности на скорость звука). Отдельно эти параметры определить невозможно.

3.2.2. Одномерная прямая задача в плоскослоистой среде.

Вводя Фурье- преобразование [1-4] по времени в форме

–  –  –

d По виду это уравнение совпадает с уравнением Риккати для коэффициента отражения R. По всей вероятности, существует связь между введенными функциями и коэффициентом отражения. Послойные уравнения типа (3.2) используются для решения обратной задачи дискретными методами. Использование уравнения Риккати остается открытой задачей.

–  –  –

Примерно такая форма решения используется в квантовой физике для решения обратной задачи для волнового уравнения [20].

3.2.3 Одномерная обратная задача.

Задачей профилирования является получение информацию об акустических параметрах морского грунта (импедансе), зная форму зондирующего сигнала S 0 (t ) и регистрируемый отраженный сигнал S (t ).

Приближенный методы решения обратной одномерной задачи.

–  –  –

В результате свертки входного сигнала в этом приближении восстанавливается величина ( ), связанная с производной (логарифма) импеданса среды. Такую особенность следует учитывать при стратификации грунта на базе профилограмм.

Точные методы решения обратной одномерной задачи.

Интересное особенностью одномерной задачи распространения звуковых волн является то, что для нее существуют точные методы решения обратной задачи. Это следует из того, что уравнение (1.3) можно привести одномерному уравнению Шредингера [14-16] относительно волновой функции d 2 [ ] + 2 q( ) = 0 ; где q - потенциал.

d 2 a для этого уравнения существуют точные методы решения обратной задачи. При этом имеются две группы методов [22,23]. Первый основан на использовании системы связанных волн и использует дискретную (кусочно-постоянную) аппроксимацию параметров среды. Во втором подходе рассматривается непрерывная среда. Определение параметров среды сводится к решению интегральное уравнение Гельфанда-Левитана – Марченко [22]. В [21] приводится вывод этих уравнений для задачи акустики. Обзор некоторых методов решения обратной одномерной задачи приведен в [23].

Анализ этих алгоритмов и их адаптация для задач профилирования является целью дальнейшей работы.

4. Система бокового обзора и подводного координирования.

Использование буксируемых аппаратов при проведении гидрографических работ является эффективным средством использования высокочастотных систем высокого разрешения на больших глубинах. В таких ситуациях одной из главных задач является привязка буксируемого аппарата к географическим координатам. Координаты судна достаточно точно определяются с помощью спутниковой навигации, и задачей является определение координат буксируемого аппарата относительно судна-буксировщика.

Аналогичная задача возникает при использовании телеуправляемых подводных аппаратов.

4.1 Структура комплекса ГБО и навигации, схема измерений.

Схема измерений и регистрации комплекса приведена на рис. 4.1.

Рис.4.1 Схема измерений и регистрации.

Система состоит из двух частей. Часть, относящая к ГБО, расположена на ТПА и представляет собой двухканальную систему (правый и левый борта). Трехканальная навигационная часть находится на борту надводного судна и должна обеспечить определение координат ТПА относительно судна. Управление производится программой на судне. Связь с ГБО по кабелю. По программному старту синхронно запускается передатчик и приемник ГБО, приемники навигации, далее обе части работают независимо. Данные ГБО по кабелю передаются на судовой комплекс. Синхронизация ГБО и навигации во время регистрации обеспечивается таймерами микроконтроллеров систем ГБО и навигации.

В отличие от традиционных схем определения координат в данной системе в качестве источника сигналов используется не отдельный источник, а излучатель ГБО (или сигнал, отраженный от дна).

В приемные антенны навигационной части попадают два сигнала:

прямой (синие линии на рис. 4.1) и отраженный от грунта (красные линии) и этот следует учитывать при выборе алгоритмов координирования.

4.2 Алгоритмы координирования.

–  –  –

задачи из 5 приемников для двух значений параметра R z.

Рис.4.3. Система из 5 приемников: 4 приемника расположены в плоскости X-Y по осям симметрично относительно начала на расстоянии 2 м., пятый источник на оси Z на расстоянии 2 м. Аппарат находится на оси Z на расстоянии 500 м. Изменение функционалов 1 ( Rx, Ry ) (верхние два рисунка) и 2 ( Rx, R y ) (нижние два рисунка) для двух значений дальности R z. Слева R z =200 м., справа R z =500 м. Ошибки измерений отсутствуют.

Как видно из рисунка, при неточном знании дальности ( R z =200 м.), алгоритмы поиска могут зациклиться при попадании в область впадины вблизи начала координат на плоскости X-Y.

При R z =500 м. (при точном знании дальности) оба функционала похожи на квадратичную функцию, но с более плоской нижней частью.

С точки зрения численной реализации, разница между двумя критериями (2.1) и (2.2), вероятно, несущественна, однако можно отметить, что форма (2.2) допускает в некотором r смысле линеаризацию относительно искомого вектора R.

4.2.1. Квазилинейный алгоритм определения координат.

–  –  –

Не касаясь детального рассмотрения точности определения координат аппарата по измерениям дальности, рассмотрим результаты расчета координат аппарата в случае заданных (детерминированных) ошибок в дальностях.

–  –  –

Этот простой расчет показывает, что чисто дальномерный метод определения координат не может обеспечить требуемую точность (наверно это величина, сопоставимая с размерами аппарата и составляет примерно 1 метр).

Реальным вариантом увеличения точности является привлечение интерферометрических методов.

4.2.3. Применение интерферометрических методов.

–  –  –

Естественно предположить, что источником ошибок в определении вектора аппарата являются ошибки в измерении дальностей и их разностей, причем ошибки измерения дальностей и разностей независимы для разных баз. Можно также считать, что вектора баз заданы точно и определяются заранее (при соответствующих калибровках). Матрица системы не зависит от измерений дальности и разности дальностей, определяется только конфигурацией приемных элементов и в этом случае ее можно считать постоянной.

При этих предположениях корреляционная матрица K R координат аппарата

–  –  –

ошибками измерения разности дальностей L и конфигурацией приемных элементов (точнее диагональными членами матрицы T 1 ).

4.3 Экспериментальное тестирование системы координирования.

Для исследования возможности выбранной схемы координирования были проведены натурные испытания. В качестве ТПА использовался имеющийся в лаборатории буксируемый аппарат, представленный на рис.1.3. В силу технических проблем и погодных условий испытания носили ограниченный характер. Буксируемый аппарат вывешивался на тросе с кормы судна, приемные антенны подводной навигации располагались на корме и с левого борта.

Рис.4.3 Буксируемый аппарат. Антенны ГБО располагаются по краям корпуса.

На рис. 4.4 приведен пример типовой записи. В верхней части отображаются данные ГБО.

Поскольку измерения с подводной навигацией проводились у стенки, на неподвижном судне, эти данные практической ценности не несут. В нижней части показано изменение принятого сигнала каналами подводной навигации. Видно, что на фоне отраженного от грунта сигнала, прямой сигнал излучателя ГБО проявляется довольно четко. Однако в некоторых случаях наблюдается и сравнимые по уровню отражения от грунта. В программе обработки реального времени реализован простейший алгоритм определения координат – по дальности в трех навигационных каналах (4.2.2). Дальность определяется также простым способом – по максимуму. Причем поиск максимума может производиться либо по всем отсчетам (режим поиска, показанный на рисунке), либо в режиме сопровождения (в заданном интервале). В режиме поиска высокие уровни отраженного от грунта сигнала приводят к ошибкам (сбоям) в определении координат, что и наблюдается на карте справа внизу.

Рис.4.4 Пример зарегистрированных сигналов.

В целом эти, пусть и несколько неполные первые испытания, показали принципиальную возможность подводного координирования по такой нестандартной схеме. В настоящее время обработка этих измерений продолжается в части учета влияния нестабильности синхронизации каналов ГБО и навигации на точность координирования.

Следует также отметить, что аппаратная часть ГБО включала несколько дополнительных датчиков, а именно датчики ориентации (курса, крена дифферента), датчики давления, влажности и температура. Анализ данных этих датчиков показал целесообразность их использования при проведении реальных измерений [27].

5. Разработка комплекса ГБО для радиоуправляемого катера.

При проведении исследовательских работ на малых водоемах может быть оказаться удобным применение радиоуправляемого судна с установленным на него гидролокатором бокового обзора (ГБО). Для оценки возможностей такого ГБО разрабатывается макет на базе радиоуправляемого катера Double Horse Flying Fish 7006 (рис.5.1).

Рис.5.1. Радиоуправляемый катер Double Horse Flying Fish 7006.

Характеристики катера:

• Размеры: Длина 970 мм, Ширина 320 мм, Высота 320 мм

• Вес 4 кг

• Максимальная скорость 35 км/ч

• Время работы 15 - 20 мин

• Время заряда 2 часа

• Дальность действия пульта около 100 метров

• Питание Аккумулятор NiMh 12 В 2300 мАч Структурная схема комплекса осуществляющего формирование зондирующих ЛЧМ сигналов, многоканальный ввод в вычислительную машину и когерентную обработку сигналов представлена на рис. 5.2.

–  –  –

В состав экспериментального образца комплекса входят:

1. Две приемопередающие антенны гидролокатора левого и правого каналов.

2. Диодный коммутатор, через который подключаются обе антенны.

3. двух канальный приемник.

4. датчик качки и курса.

5. бортовая микроэвм с устройством формирования зондирующих сигналов с линейночастотной модуляцией (ЛЧМ), аналого-цифровым преобразователем для ввода данных и Ethernet интерфейсом.

6. роутер с внешней антенной Wi-Fi для приема команд и передачи данных в береговой ноутбук (БН).

На рис. 5.3 приведено фото катера с установленными антеннами и электронным блоком.

Рис.5.3 Катер с установленными антеннами и электронным блоком.

Встроенное программное обеспечение бортовой ЭВМ по включению питания производит инициализацию системы и ожидает приёма командных пакетов от берегового ноутбука.

Для БН разработано программное обеспечение для ввода и регистрации данных комплекса, которое предназначено для:

7. Ввода и регистрации данных от комплекса.

8. Ввода и регистрации данных спутниковой навигации от устройства через Ethernet или по com-портам ПЭВМ.

9. Ввода и регистрации данных от датчиков крена, дифферента, вертикальных перемещений и курса.

10. Тестирования работы аппаратуры комплекса в лабораторных условиях.

11. Оценка качества регистрируемой информации в режиме реального времени.

12. Просмотр зарегистрированных данных.

В ближайшее время планируется проведение тестовых испытаний, отладка аппаратуры и программного обеспечения.

6. Практические примеры использования комплексных гидроакустических систем.

6.1 Грязевые вулканы Таманского полуострова.

Летом 2011 года в районе Таманского полуострова Институтом радиотехники и электроники РАН проводились испытания гидролокационного комплекса в составе профилографа диапазона 6 кГц., с полосой частот 4 кГц. и интерферометрического ГБО диапазона 240 кГц, с полосой частот 27 кГц. с ЛЧМ зондирующими сигналами. Схема измерений состояла из сетки параллельных галсов в акватории Черного моря, между мысом Тузла и мысом Панагия. Сообщения об извержении Голубицкого грязевого вулкана инициировали поиск подобных объектов по результатам проведенных работ.

Поиск начался с целенаправленного анализа результатов профилирования. И действительно, в результате анализа обнаружилось, что в 12 записях профилирования из примерно 80 наблюдались фрагменты, которые могут быть отнесены к вулканическим проявлениями [28-30]. Примеры таких фрагментов профилирования приведены на рис. 6.1.

Эти изображения содержат основные признаки вулканической деятельности - наличие кратера или разрыв, размытие приповерхностного сильно отражающего слоя, складчатую структуру, характерную для зон сжатия, а также проявления газонасыщенности, что и может быть проявлением грязевого вулканизма.

Рис.6.1. Фрагменты профилограмм, относящиеся к проявлениям грязевого вулканизма.

Шкала слева в метрах от поверхности воды.

Результаты профилирования позволяют оценить под поверхностную структуру донных отложений, однако, только вдоль трассы измерений. Дополнительную информацию для интерпретации отмеченных проявлений дают акустические изображения и рельеф дна. На рис. 6.2 показана профилограмма, соответствующее акустическое изображение и рельеф поверхности дна. Видно, что донная поверхность в районе вероятного грязевого вулкана имеет более шероховатую, складчатую структуру по сравнению с близлежащими окрестностями.

Для поиска подводных вулканов были привлечены также данные, полученные интерферометром бокового обзора. Вычисление глубин с разных галсов приводились к прямоугольной сетке с шагом примерно 5 метров. Анализ форм рельефа придает данным профилирования “площадной” характер, так как разумно предполагать, что сходный рельеф имеет и сходную подповерхностную структуру.

Рис. 6.2. Профилограмма, соответствующее акустическое изображение и рельеф поверхности дна в области вероятного грязевого вулкана.

6.2 Профилирования водной среды.

При проведении работ в Балтийском море на акустических изображения ГБО были отмечены отдельные детали, не характерные для общей поверхности морского дна. Здесь следует отметить особенность формирования акустического изображения ГБО, как построчного изменение амплитуды отраженного сигнала в функции дальности. Схема формирования приведена на рис. 3.

Рис. 6.3 Формирование акустического изображения. Слева исходные данные, справа – схема преобразования. Часть данных, относящаяся к воде между двух линий дна, не используется.

Акустическое изображение формирует только часть исходных данных вне линий дна (двух бортов).

Анализ исходных данных ГБО, подобно показанным на рис. 6.3, привел к заключения, что отмеченные особенности не относятся к поверхности морского дна, а связаны с объектами в водной толще. Их проявление на акустических изображениях обусловлено широкой диаграммной ГБО в плоскости бокового обзора и дальностью, равной расстоянию до поверхности. Поэтому с целью исследования водной среды более подробно проанализированы исходные данные ГБО, а также были привлечены результаты профилирования, проводимые независимой системой регистрации одновременно.

Действительно, с точки зрения исследования водной среды ГБО и профилограф являются системами профилирования, но с различными техническими характеристиками.

Несущая частота используемого акустического профилографа f 0 5 Кгц ( 30 см.), тогда как для ГБО f 0 80 Кгц и 250 Кгц. ( 2 см. и 0.5 см.). Отличие несущих частот сказывается на условиях рассеяния на неоднородностях в водной толще. Существенным является и отличие диаграмм направленности. У ГБО узкая диаграмма направленности (порядка градуса) вдоль движения судна и широкая (порядка 30 градусов) в перпендикулярной плоскости бокового обзора. Профилограф имеет примерно одинаковую широкую диаграмму относительно вертикали.

Ниже представлены результаты одновременного (разнесение антенн – несколько метров) профилирования неоднородности водной среды ГБО и профилографом. Регистрация этих данных осуществляется хотя и разными системами независимо, но с привязкой по единой системе GPS. Приведенные ниже примеры относятся к двум циклам работам в Балтийском море, в 2008 и 2009 годах, при этом в 2008 году использовался ГБО с несущей частотой 250 кГц, а в 2009 году – с частотой 85 кГц.

На рис. 6.4 показан фрагмент профилирования водной среды ГБО (85 кГц.) и профилографом. По данным профилографа водная толща, практически однородна, с вкраплением небольших неоднородностей. Высокочастотное профилирование с помощью ГБО выявляет более тонкую и сложную структуру. Возможная причина такого контраста в акустических изображениях – частотная зависимость рассеяния на неоднородностях (типа резонансной на газовых пузырьках) и влияние диаграмм направленности.

Рис. 6.4 Результаты профилирования ГБО (85 кГц., сверху) и профилографом. Балтика 2009.

В некоторых (достаточно редких) случаях наблюдается обратная ситуация, когда неоднородности в воде фиксируются на данных профилографа, и не проявляются на данных ГБО, а иногда, при наличии почти однородного звукорассеивающего слоя, характер изображений ГБО и профилографа практически одинаков.

Особый интерес вызывает наличие неоднородностей, по форме напоминающих газовые пузыри (или по форме близкие к ним). В большей степени такие образования наблюдались в цикле работ 2008 года (ГБО 250 кГц.) в северной части Финского залива по трассе измерений. Сравнительные результаты профилирования водной среды c “пузырями” ГБО и профилографом приведены на рис. 6.5.

Рис. 6.5 Результаты профлирования одного района ГБО (сверху) и профилографом. Файл ГБО H_064_03.dat, профилографа – Q_064_01.dat. Балтика 2008 г.

На рис. 6.6 приведены два фрагмента результатов профилирования ГБО с несколькими типами “газообразных” неоднородностей в водной толще. На верхнем фрагменте относительно мелкомасштабные неоднородности распределены в основном в середине между поверхностью воды и дном. На нижнем фрагменте выделяется протяженная область непосредственно в придонном слое.

Рис. 6.6 Фрагменты результатов профилирования ГБО (250 кГц, Балтика 2008).

Следует отметить, что приведенные данные по профилированию водной среды не являются результатом специальных измерений, а скорее сопутствующей информацией, которая при обработке (например, в ГБО) просто теряется. Однако такие данные могут, вероятно, иметь и практическое значение. Сопоставление данных независимо регистрирующих систем, приведенных выше, представляет непростую программную задачу. В многофункциональных системах, подобно приведенной в главе 2, такие операции проводятся практически автоматически.

Заключение Развитие современных систем дистанционного зондирования морского дна происходит по двум основным самостоятельным направлениям: совершенствование методов интерпретации экспериментальных данных и совершенствование технических средств.

В ходе проведения НИР выполнены следующие работы:

1. Для цели стратификации морского грунта предложен новый метод обработки данных профилирования с зондирующим широкополосным ЛЧМ сигналом. Метод заключается в разделении данных полной полосы спектра на два канала, соответствующие нижней и верхней частям полного спектра ЛЧМ. На примере водонасыщенных осадков в Охотском море показаны различия акустического изображения в сформированных каналах, иллюстрируется изменение разности фаз сигналов соответствующих акустических изображений. На основании проведенных исследований показана перспективность использования этого метода при обработке данных профилирования и классификации донных отложений.

2. Для цели проведения комплексных изыскательских работ разработан и изготовлен макет малогабаритной многофункциональной системы, включающий интерферометрический четырех канальный (на один борт) ГБО, эхолот и профилограф. По опыту уже проведенных работ, такая система может быть эффективно использована для исследования сразу трех сред - водной толщи, рельефа и подповерхностной структуры морского дна. Наличие 4 каналов, в принципе, дает возможность расширить область применения данной интерферометрической системы, увеличить точность и надежность измерений глубины за счет применения алгоритмов обработки сигналов, характерных для многоэлементных (многолучевых) систем.

Прибор прошел успешные испытания в морских условиях и может быть рекомендован для установки на маломерные суда и подводные аппараты.

3. Для практического использования прибора приведены разработанные алгоритмы батиметрических измерений, а также обработки данных профилирования. Часть этих алгоритмов тестировались и показали хорошие результаты.

4. Проведен анализ алгоритмов и приведены результаты первых испытаний системы координирования подводного аппарата, интегрированного с ГБО.

5. Приведено описание макета и элементов аппаратной реализации автономной системы ГБО на базе радиоуправляемой малой модели катера. Подобные системы перспективно использовать при проведении работ на реках и каналах.

6. Приведены результаты применения разработанных программно-технических средств для практического использования при инженерных изысканиях под подводное строительство и ревизиях подводных сооружений. Приведенные данные по подводному грязевому вулканизму в зоне Керченского пролива, подводных продуктопроводов через р. Нева, исследование водной среды в Балтийском море показывают эффективность разработки и ее практическую важность.

Литература

1. В.И. Каевицер, В.М. Разманов, Дистанционное зондирование морского дна гидролокационными системами со сложными сигналами, УФН, 2009, т. 179, № 2, стр. 218-224.

2. Каевицер В.И., Захаров А.И., Смольянинов И.В., Экспериментальные результаты двухчастотного профилирования морского дна сигналом с линейной частотной модуляцией. Доклад на XIV всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2015).

Москва 2015. Сборник трудов конференции, Т. 1, стр. 208-211.

3 С.Л. Марпл, Цифровой спектральный анализ и его приложения, Мир,1990

4. Z. Leonowicz, T. Lobos, J. Rezmer, Advanced spectrum estimation Methods for signal analysis in Power Electronics, IEEE transaction on industrial electronics, vol. 50, no.

3 (2003).

5 А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин, Методы решения некорректны задач, Москва, “Наука”, Главная редакция физико- математической литературы, 1979,

6. А.П. Карташев, Б.Л. Рождественский, Обыкновенные дифференциальные уравнения и основы вариационного исчисления, Москва, “Наука”, Главная редакция физико-математической литературы, 1986.

7. С.Л. Марпл, Цифровой спектральный анализ и его приложения, Мир, 1990.

8. M.D. Sacchi, T.J.Ulrych, C.J. Walker, Interpolation and Extrapolation Using a HightResolution Discrete Fourier Transform, IEEE Transaction on Signal Processing, V. 46, No.

1, January 1998.

9. Каевицер В.И., Разманов В.М., Измерение рельефа морского дна нтерферометрическим гидролокатором бокового обзора, Радиотехника, № 12 (2005).

10. В. М. Разманов, А. П. Кривцов, С. А. Долотов, Особенности измерений рельефа морского дна интерферометрическим гидролокатором бокового обзора, Радиотехника и электроника, Т. 51, № 1 (2006).

11. M.D. Sacchi, T.J.Ulrych, Estimation of the discrete Fourier transform, a linear inversion approach, Geophysics, V. 61, No. 4, (July – August 1996), pp. 1128-1136.

12. ВМ Разманов, К оценке спектра сигнала по его дискретным отсчетам., Всероссийская научная конференция “Сверхширокополосные сигналы в радиолокации, связи и акустике, Муром, 2003.

.

13. Wen Xu, W.K. Stewart, Coherent source direction estimation for three-row bathymetric side scan sonars.

14. Л.М. Бреховских, О.А. Годин, Акустика неоднородных сред, Наука, 2007.

15.Л.М. Бреховских, Ю.П. Лысанов, Теоретические основы акустики океана, Наука, 2007.

16. Л.М. Бреховских, О.А. Годин, Акустика слоистых сред, Москва, Наука, 1989.

17. Dong-Lai Liu, Ultrasonic Inverse Scattering Problem in Layered Media, Department of Electronic Engineering, Faculty of Engineering, University of Tokyo,December 21, 1990.

18. Егоров А.И., Обыкновенные дифференциальные уравнения с приложениями, Физматлит, Москва, 2005.

19. Cleve Molery,Charles Van Loan, Nineteen Dubious Ways to Compute the Exponential of a Matrix, Twenty-Five Years Later, Society for Industrial and Applied Mathematics,, SIAM REVIEW Vol. 45, No. 1, pp. 3–000.

20. А Кудряшов, Аналитическая теория нелинейных дифференциальных уравнений, Москва, Ижевск, 2004.

21. Д.В. Аникиев, БМ Каштан, АС Блоговещенский, ВА Мулдер, Точный динамический метод решения обратной задачи сейсмики на основе интегральных уравнений Гельфанда-Левитана, Вопросы геофизики, Вып.44, СПб, 2011- (Ученые записки СПбГУ; № 444).

22. Аки К, Ричардс П., Количественная сейсмология: Теория и методы. Т.2 Пер. c англ. Москва, Мир, 1983

23. A.E. Yagle,One-dimensional scattering problems: an asymmetric two-component wave system framework, Inverse Problems 5 (1989) 641-666.

24. Каевицер В.И., Захаров А.И., Смольянинов И.В., Исследование фазовых характеристик эхо-сигналов при вертикальном зондировании воды сигналами с линейной частотной модуляцией. «Акустический журнал», в печати.

25. Элбакидзе А.В., Разманов В.М., Смольянинов И.В.,.Кривцов А.П., Денисов Е.Ю., Гидролокационный комплекс для исследования морского дна. Труды II РоссийскоБелорусской научно-технической конференции "Элементная база отечественной радиоэлектроники: импортозамещение и применение " им. О.В.Лосева. 17-19 ноября 2015 г. Нижний Новгород.

26. Кривцов А.П. «Программа вычисления глубин и построения рельефа дна для интерферометрического гидролокатора бокового обзора». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015610922.

27. Денисов Е.Ю. Система пространственного позиционирования подводных аппаратов, Доклад на 12-й молодежный конкурс им. И. Анисимкина. Фрязино. 26 – 27 октября 2015.

28. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Разманов В.М., Смольянинов И.В., Проявления подводных грязевых вулканов при гидролокационных исследованиях в акватории Таманского полуострова. Доклад на XIV всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2015).

Москва 2015. Сборник трудов конференции, Т. 1, стр. 211-214.

29. Каевицер В.И., Римский-Корсаков Н.А., Смольянинов И.В., Разманов В.М., Кривцов А.П., Возможные проявления подводных грязевых вулканов по результатам гидролокационных исследований в акватории Таманского полуострова. Статья в журнале «Океанология», принята в печать.

30. Каевицер В.И., Словцов И.Б., Кривцов А.П., Разманов В.М., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В. Подводные грязевые вулканы Таманского полуострова по данным гидролокационного исследования. Статья в журнале «Вулканология», принята в печать.

Приложение 1. Перечень публикаций по данной работе.

1. В.И.Каевицер, В.М.Разманов, И.В.Смольянинов, А.В. Элбакидзе. «Акустические исследования морского дна с использованием сигналов с линейной частотной модуляцией», Известия ЮФУ, Технические Науки, № 9, сентябрь 2013, стр. 81-85, Таганрог

2. Каевицер В.И, Разманов В.М., Кривцов А.П., Смольянинов И.В.,Раскатов В.Н., Словцов И.Б., “Комплексные акустические исследования морского дна с использованием ЛЧМ сигналов в интересах инженерной геологии при строительстве гидротехнических сооружений”, Вулканология и сейсмология, (в печати)

3. Каевицер В.И., Римский-Корсаков Н.А., Смольянинов И.В., Разманов В.М., Кривцов А.П., Возможные проявления подводных грязевых вулканов по результатам гидролокационных исследований в акватории Таманского полуострова. «Океанология», (в печати).

Перечень докладов в РФ.

1.В.И. Каевицер, И.В. Смольянинов, А.В. Элбакидзе, «Применение широкополосного зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией в параметрическом эхолотепрофилографе», Труды XIII международная научно-техническая конференция “Современные методы и средства океанологических исследований” (МСОИ -2013), 2013.

ТОМ 1, стр. 260-263.

2. Е.Ю.Денисов, В.М.Разманов, И.В.Смольянинов, А.В.Элбакидзе, “Гидролокационные системы с когерентным формированием ЛЧМ зондирующих импульсов и регистрацией эхо сигналов”, Труды XII Всероссийская конференция “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики” (ГА-2014), май 2014, стр. 356-358, Санкт-Петербург, стр. 356-358.

3. Элбакидзе А.В., Разманов В.М., Смольянинов И.В., Кривцов А.П., Денисов Е.Ю.

“Многофункциональный гидролокационный комплекс для исследования морского дна.”, Труды VIII Всероссийская конференция “Радиолокация и радиосвязь”, ноябрь 2014 г. – г. Москва, ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН, Москва, Электронный ресурс.

4. Каевицер В.И., Захаров А.И., Смольянинов И.В., Экспериментальные результаты двухчастотного профилирования морского дна сигналом с линейной частотной модуляцией.

Доклад на XIV всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2015). Москва 2015. Сборник трудов конференции, Т. 1, стр. 208-211.

5. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Разманов В.М., Смольянинов И.В., Проявления подводных грязевых вулканов при гидролокационных исследованиях в акватории Таманского полуострова. Доклад на XIV всероссийской научно-технической конференции «Современные методы и средства океанологических исследований» (МСОИ-2015). Москва

2015. Сборник трудов конференции, Т. 1, стр. 211-214.

6. Элбакидзе А.В., Разманов В.М., Смольянинов И.В., Кривцов А.П., Денисов Е.Ю.

Гидролокационный комплекс для исследования морского дна. Второй российскобелорусской научно-технической конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники: импортозамещение и применение» им. О. В. Лосева. Нижний Новгород 2015 г. Сборник трудов конференции, стр. 365-368.

7. Денисов Е.Ю. Система пространственного позиционирования подводных аппаратов.

Доклад на 12-ом молодежном конкурсе им. И. Анисимкина, Москва. 26 – 27 октября 2015.

–  –  –

1. Каевицер В.И., Захаров А.И., Смольянинов И.В. «Акустический профилограф». Патент РФ на полезную модель №153907.

2. Каевицер В.И., Захаров А.И., Смольянинов И.В. «Способ измерения вертикального распределения скорости звука в воде», Заявка на изобретение РФ.

3. Кривцов А.П. «Программа вычисления глубин и построения рельефа дна для интерферометрического гидролокатора бокового обзора». Свидетельство о государственной


Похожие работы:

«Сапфо Гай Валерий Катулл Марк Валерий Марциал Избранные переводы http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=10857497 ISBN 978-5-4474-1302-6 Аннотация В сборник вошли избранные переводы трех великих античных поэтов – Марка Валерия Марциала, Гая Валерия Катулла и Сапфо, чаще всего писавших о любви, ко...»

«Алексей Александрович Маслов Боевая добродетель. Секреты боевых искусств Китая Текст предоставлен издательством "Феникс" http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=126774 Боевая добродетель. Секреты боевых искусств Китая: Феникс; Ростов-на-Дону; 2004 ISBN 5-222-03690-1 Аннотация Первая в мире книга подобного рода, которая...»

«Кир Булычев Роковая свадьба Серия "Гусляр" Серия "Гусляр-2000", книга 3 Текст предоставлен издательством http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=161635 Глубокоуважаемый микроб: Время; Москва; 2012 ISBN 978-5-9691-0645-1, 978-5-9691-0643-7 Аннотация "Август завершался солидно, как в старые времена. Листва еще не поже...»

«"Рассмотрено" "Согласовано" "Утверждаю" Руководитель МО Заместитель директора по УВР Директор школы Салихов И.Ш. Гилмуллина Ч.З. _ А.Х.Магданов Протокол № _ от Приказ № от "_"2015 г. "_"_2015...»

«http://pandia.ru/text/77/496/1872807395.php ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ В ОБРАЗОВАНИИ. Дифференциация в образовании это создание различий между частями (например, школами, классами, группами, отдельными учениками) образовательной (под)системы (например, общее...»

«КОДЕКС этики и правил служебного поведения работников муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения "Мошъюгская основная общеобразовательная школа" Кодекс этики и служебного поведения работников (далее – Кодекс) муниципального бюджетного общеобразовательного учрежде...»

«Регламент проведения открытого Чемпионата Можайского района по хоккею с шайбой Дивизион "Спортсмен" сезон 2015-2016 годов Регламент проведения открытого Чемпионата Можайского района по хоккею с шайбой...»

«Отделение религиоведения философского факультета МГУ имени М.В. Ломоносова кафедра Философии религии и религиоведения ПЛАН СЕМИНАРСКИХ ЗАНЯТИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ "СОЦИОЛОГИЯ РЕЛИГИИ" (72 ч., два семестра) 1 СЕМЕСТР (36 ч.) ТЕМА 1. Социология религии как наука (2 ч.) Религия как предмет социологичес...»

«Елизавета Алексеевна Дворецкая Ясень и яблоня. Книга 2: Чёрный камень Эрхины Серия "Корабль во фьорде", книга 7 Текст предоставлен издательством http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=164779 Чёрный камень Эрхины: Крылов;...»

«Вестник Иннопрома 2017 № 1 Серия: Наука. Инновации. Производство Научный журнал Вестник Иннопрома Серия: Наука. Инновации. Производство Научный журнал 2017 № 1 Главный редактор Фомин Игорь Валерьевич Заместитель главного редактора Пастухов Александр Львович, канд. филос. наук, доцент. Председатель редакционного Совета Федото...»

«УДК:621.791.16 AВТОМАТИЗАЦИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СВАРКИ В.Н. Хмелев, Д.В. Генне, Д.С. Абраменко, С.С. Хмелев Статья посвящена разработке концепции создания ультразвуковых сварочных лин...»

«ОКП 4220 МЕ48 ПРИБОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ "Энергомонитор-3.3Т" Руководство по эксплуатации МС3.055.021 РЭ НПП МАРС-ЭНЕРГО СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ 2 ОПИСАНИЕ ПРИБ...»

«"Рассмотрено" "Согласовано" "Утверждаю" Руководитель МО Заместитель директора по УВР Директор школы Салихов И.Ш. Гилмуллина Ч.З. _ А.Х.Магданов Протокол № _ от Приказ № от "_"2015 г. "_"_2015 г. "" _2015 г. Муниципальное бюджетное образовательное учреждение "Са...»

«Лев Пучков Жесткая рекогносцировка Серия "Русское Бюро", книга 1 Текст предоставлен издательством "Эксмо" http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=139884 Жесткая рекогносцировка: Эксмо; М.:; 2007 ISBN 978-5-699-20306...»

«2 Содержание стр. Цели и задачи дисциплины (модуля) 1. Место дисциплины (модуля) в структуре ООП. 2. Требования к результатам освоения дисциплины (модуля) 3. Объем дисциплины (модуля) и виды учебной работы 4. Содержание дисциплины (моду...»

«КОМПРЕССЕТ КОМПРЕСС-КРЕМ ОТ ШЕСТИ ВЕЧНЫХ ПРОБЛЕМ! КОМПРЕССЕТ ОБЪЕДИНЯЕТ ОБЕЗБОЛИВАЮЩИЕ СВОЙСВА КОМПРЕССОВ И ЛЕЧЕБНЫЕ СВОЙСТВА АПТЕЧНЫХ КРЕМОВ КОМПРЕССЕТ ЭФФЕКТИВЕН И УДОБЕН В ПРИМЕНЕНИИ Эффективен как компресс: • глубоко проникает в поврежденные ткани и до...»

«Программа по алгебре для 7 класса общеобразовательных учреждений Пояснительная записка Общая характеристика программы Программа по алгебре составлена на основе Фундаментального ядра содержания общего образования, требований к результатам освоения образовательной программы основного...»

«* "Революция на граните. Первый майдан" 25 лет назад в Киеве состоялась студенческая акция протеста, получившая название Революция на граните. Тогда политики не выполнили полностью требований молодежи, и поэтому Украин...»

«Поурочное планирование № тема урока Характеристика деятельности обучающихся дата п/п план Факт. Человек – живое существо (организм) Организм человека. Обсуждение содержания шмуцтитула6 о чем ты узнаешь, на какие вопросы ответишь Нервная система Чтение информации, представленной в виде рисунка-схемы "Внутренние органы...»

«Олег Стеняев Диспут со Свидетелями Иеговы Введение Предисловие Встреча первая 1. Предание и Писание 2. О церкви 3. Рукоположение 4. О исповеди Встреча вторая 5. Об иконопочитании 6. Форма креста ("Кол" или Крест) 7. О крещении младенцев 8. О названии "Свидетели Иеговы" Встреча...»

«КРАТКОЕ ВВЕДЕНИЕ Одним из важнейших направлений социальной политики Республики Беларусь является организация пенсионной системы, позволяющей поддерживать достойный уровень жизни граждан пенсион...»

«ПОЛОЖЕНИЕ о проведении регионального этапа Всероссийского конкурса "Доброволец России 2017" Общие положения 1. На основании Положения о Всероссийском конкурсе 1.1 "Доброволец России-2017", утверждённом приказом Федерального агентства по делам молодёжи, в целях реализации направления государственной молодёжной политики "Вовлечение...»

«АРБИТРАЖНЫЙ СУД ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ 664025, г. Иркутск, бульвар Гагарина, 70, www.irkutsk.arbitr.ru тел. 8(395-2)24-12-96; факс 8(395-2) 24-15-99 ОПРЕДЕЛЕНИЕ г. Иркутск Дело № А19-11082/10-47-23 "29" мая 2012 года Резолютивная часть определения объявлена "24" мая 20...»

«Борисова Е.В. Эффективность реконструкции городских территорий промышленных предприятий г. Белгорода (16/12/2013) Эффективность реконструкции городских территорий промышленных предприятий г. Белгорода Реконструкция городских территорий, находящихся в п...»

«ДОГОВОР № _ AGREEMENT № November 24th 2010 "24" ноября 2010 г. It is mutually agreed between _, hereinafter referred to as Настоящим достигнуто взаимное согласие между “The Principal”, represented by _ acting on the basis of, именуемым в дальнейшем "Заказчик", в лице господина Statute acting on the basis of Corporate Sta...»

«DL-1105A, DL-1105В, DL-1105С РУКОВОДСТВО ПО ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЧАЙНИК ELECTRIC KETTLE УВАЖАЕМЫЙ ПОКУПАТЕЛЬ! Мы благодарим Вас за предпочтение, оказанное нашей продукции. Каждый прибор марки DELTA LUX отличается современн...»

«Елизавета Алексеевна Дворецкая Ясень и яблоня. Книга 1: Ярость ночи Серия "Корабль во фьорде", книга 7 Текст предоставлен издательством "Крылов" http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=164778 Дворецкая Е. Ярость ночи: Крыл...»

«Секреты Зодиака роковые связи Странненько Сайт Вадима Аниканова Анализ гороскопов для двоих может определить, подходят люди друг другу в браке или не подходят, будете ли вы дружить или враждовать, сможете ли работать вместе или нет. Этими вопросами (и еще многими другими) занимается...»

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО "Алтайский государственный университет" УТВЕРЖДАЮ Декан географического факультета Барышников Г.Я. _ _ 200г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА по дисциплине Космическое ландшафтоведение по направлению 02040...»























 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.