Главная » 2014»Август»16 » Скачать Первичная обработка гидроакустических сигналов на основе итеративного моделирования помехо-сигнальной обстановки. Сотников, бесплатно
20:43
Скачать Первичная обработка гидроакустических сигналов на основе итеративного моделирования помехо-сигнальной обстановки. Сотников, бесплатно
Первичная обработка гидроакустических сигналов на основе итеративного моделирования помехо-сигнальной обстановки
Диссертация
Автор: Сотников, Антон Алексеевич
Название: Первичная обработка гидроакустических сигналов на основе итеративного моделирования помехо-сигнальной обстановки
Справка: Сотников, Антон Алексеевич. Первичная обработка гидроакустических сигналов на основе итеративного моделирования помехо-сигнальной обстановки : диссертация кандидата технических наук : 05.13.18 Новосибирск, 2007 221 c. : 61 07-5/3358
Объем: 221 стр.
Информация: Новосибирск, 2007
Содержание:
Список условных обозначений и сокращений Введение
Глава
I Актуальные проблемы первичной обработки ГАС
11 Существующие методы обработки пространственно-временных сигналов
111 Базовые положения
112 Классическое ФХН
113 Оптимальные спектральные методы пространственной обработки
114 Параметрические методы пространственной обработки
115 Недостатки оптимальных методов
116 Обработка широкополосных сигналов Алгоритмы Фроста и Гриффитса-Джима
12 Пассивная гидролокация в среде с многолучевым распространением
121 Обоснование необходимости учета и параметризации среды
122 Традиционные методы оценки координат источника в пассивном режиме
123 Особенности распространения звука в мелком море
13 Проблемы реализации первичной обработки ГАС в гидролокационных комплексах
131 Реализация различных этапов вычислений в современных ГАК
132 Современная техническая база пространственной оптимальной обработки в частотной области
133 Особенности аппаратной реализации первичной обработки ГАС во временной области ,
34, Оценка перспектив реализации широкополосной адаптивной обработки ГАС на программируемых логических БИС 1,4,
Выводы
Глава II, Применение итеративного моделирования помехо-сигнальной обстановки для первичной обработки ГАС
21, Принципы адаптивного моделирования для определения неизвестных параметров
22, Процедура первичной обработки ГАС с помощью итеративного моделирования
23, Исследование эффективности итеративного моделирования в задаче определения пространственных и спектральных характеристик источников звука
24, Сравнение обнаружительной способности итеративного моделирования и других методов пространственно-временной обработки ГАС в случае нескольких коррелированных источников звука
25,
Выводы по проведенным программным экспериментам
Глава
III Расширение возможностей итеративного моделирования в рамках первичной обработки при использовании модели окружаюш,ей среды
31 Постановка требований к модели для первичной обработки данных в стесненной водной среде
32 Расчет влияния отраженных сигналов
33 Возможности повышения эффективности при оценке дальности цели в стесненной водной среде с помош;ью моделирования многолучевого распространения в горизонтальной плоскости
34 Программный эксперимент по комплексному исследованию эффективности первичной обработки ГАС с помощью итеративного моделирования Выводы
Глава
IV Способы повышения эффективности реализации программноаппаратного модуля первичной обработки ГАС
41 Электронный модуль обработки многоканального сигнала Сибирского Солнечного Радиотелескопа
411 Реализация спектрального анализа широкополосного сигнала в реальном времени на основе акустооптической ячейки
412 Использование ПЛИС для схемотехнической реализации сбора и предварительной обработки многоканальных данных
42 Оценка возможности реализации первичной обработки ГАС многоэлементной антенны на современной программируемой логике
421 Постановка задачи создания системы сбора и обработки широкополосных ГАС
422 Структура модуля сбора и обработки данных на основе FPGA Stratix II фирмы Altera
423 Функциональные блоки и процедура вычислений при расчете выхода ФХП и адаптации весов по методу НСКОО(ФХНФроста)
424 Сравнительный анализ реализации блока первичной обработки на FPGA и СП, перспективыиспользования FPGA для создания мобильных систем гидролокации Заключение
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Актуальность темы. В настоящий момент произошла смена приоритетов в назначении морских гидролокационных систем. Раньше основной ареной действия служил открытый океан, в современном мире наибольшее внимание уделяется операциям у побережья в отдельных регионах, где складываются кризисные ситуации. Соответственно, в качестве потенциальных целей сейчас рассматриваются объекты, обладающие малой гидроакустической заметностью малотоннажные надводные плавсредства, небольшие подводные лодки (ПЛ) и т.д. Другим фактором становится все возрастающая потребность борьбы с незаконной деятельностью в прибрежной зоне, осуществляемую, как правило, с помощью небольших судов. Все это делает задачу обнаружения малых целей вблизи береговой линии (в бухтах, фиордах и т.д.) весьма актуальной. Это обстоятельство с учетом сложных гидролого-акустических условий на мелководье требует новых подходов к обработке гидроакустических сигналов (ГАС). Распространение звуковых волн в прибрежной акватории в условиях мелководья принципиально отличается от распространения в открытом море. Здесь характерными являются множественные отражения звука от дна, поверхности и берегов. Высокая интенсивность деятельности человека в прибрежной полосе, и, как следствие, большее число различных источников звука и более высокий уровень шума также усложняет решение задач обнаружения, идентификации и слежения. Следовательно, необходимо выделять локальные помехи, помехи вызванные реверберацией и фоновые шумы моря, что повышает требования к разрешающей способности системы обработки ГАС. Одним из вариантов увеличения разрешающей способности является увеличение протяженности приемной антенны (апертуры) и увеличения числа элементов, что не всегда возможно. Для достоверного выделения и оценивания сигналов целей на фоне множественных помех при недостатке или отсутствии априорной информации о целях и ограниченной апертуре массива гидрофонов требуются адаптивные алгоритмы обработки данных, учитывающих влияние среды распространения. Реализация таких алгоритмов требует большого объема вычислений и возможна только с применением высокопроизводительных средств обработки. Поэтому практическое использование подобных методов в системах реального времени проблематично, а при возрастании числа идентифицируемых источников их применение становится практически невозможным. Достоверность оценок при этом сильно зависит от точности информации о параметрах моделируемой среды. Некоторые же методы, могут использоваться только с определенным типом многоэлементных антенн, что сужает область их применения вместо стационарных комплексов, имеющих регулярную пространственную конфигурацию (линейные, цилиндрические, сферические), широкое распространение в последнее время получают конформные антенны (по обводу корпуса судна), гибкие буксируемые антенны, а также приемные массивы, элементы которых устанавливаются на гидроакустических буях. Обработка сигналов с многоэлементных антенн произвольной конфигурации обладает своей спецификой, что накладывает отпечаток на выбор методов. Соответственно этим тенденциям изменяются и принципы построения современных гидролокационных комплексов. Системы формирования характеристик направленности (ФХН) для антенн с линейным или круговым расположением гидрофонов, предполагающие однолучевое распространение сигнала от цели и использующие адаптацию к локальным и глобальным помехам уступают место системам, реализующим оптимальные алгоритмы для антенных массивов с произвольным расположением элементов и учитывающим влияние среды. Перспективные пассивные и активные гидроакустические средства уже не смогут обходиться без таких многоэлементных «интеллектуальных» антенн. Задачи, решаемые обработкой ГАС, могут варьироваться в зависимости от назначения, активного (гидролокатор) или пассивного (шумопеленгатор) освещения обстановки и задач, ставящихся перед всей системой в целом обнаружение целей, определение их параметров (акустических и пространственных), сопровождение целей, классификация, траекторный анализ и т.п. Отдельно следует отметить режим пассивной гидролокации (шумопеленгования), где предметом обработки является акустический сигнал, излучаемый собственно целью. Малое отношение сигнал-шум (ОСШ) при пассивном режиме требует более сложной процедуры первичной обработки, т.е. обнаружения цели и выделения полезного широкополосного сигнала на фоне помех. Сложность обработки искупается возможностью классификации цели, определению параметров ее движения и прочих характеристик по оценке данных, полученных в результате пространственно-временного анализа первичного поля цели. Немаловажным фактором является также и скрытность этого режима при шумопеленговании не излучается зондирующих импульсов, как в активном режиме, которые, как правило, демаскируют носитель гидроакустического комплекса (ГАК). В ГАК ПЛ режим шумопеленгования в силу этой и ряда других причин получил приоритетную роль. Таким образом, основной задачей при проектировании комплексов пассивной гидролокации, в частности, систем первичной обработки ГАС, является поиск компромисса между эффективностью системы в задачах обнаружения и идентификации целей и ее сложностью. Повышение сложности ведет к увеличению массы, габаритов, энергопотребления, стоимости и т.п., то есть таких параметров, на которые накладываются жесткие ограничения. Поэтому основными направления исследований в области вычислительной гидроакустики являются, с одной стороны, поиск новых эффективных алгоритмов обработки, которые позволили бы получать больше информации при том же объеме вычислений, с другой разработка эффективных высокопроизводительных программно-аппаратных средств обработки массивов данных. Цели и задачи исследования. Цель работы повышение эффективности систем первичной обработки гидроакустических сигналов многоэлементных антенн произвольной формы, предназначенных для использования в пассивном режиме в средах, характеризующихся большим количеством локальных помех и неоднородностью в горизонтальной плоскости. Основные задачи работы: 1, Разработка методов обнаружения нескольких источников звука, в т.ч. коррелированных, определения их пространственных и акустических характеристик на основе моделирования помехо-сигнальной обстановки, 2, Исследование способов снижения объема вычислений при определении дальности источников звука для стесненных прибрежных участков за счет упрощения акустической модели среды и использования многолучевого распространения, вызванного горизонтальной неоднородностью среды. 3, Разработка программного исследовательского комплекса, включающего в себя генератор помехо-сигнальной обстановки для формирования тестовых выборок сигналов многоэлементной антенны, и программно-алгоритмическое обеспечение, реализующее обработку ГАС в соответствии с разработанными методами, 4, Исследование эффективности предложенных методов в задачах первичной обработки ГАС с помощью разработанного программного исследовательского комплекса, 5, Разработка высокопроизводительного программно-аппаратного модуля первичной обработки широкополосных ГАС на основе современных средств параллельных вычислений, Иаучная новизна. Разработан метод обнаружения целей, определения их пеленга и спектральных характеристик излучаемого звука в сложной помехо-сигнальной обстановке на основе итеративного моделирования. Метод позволяет увеличить вероятность обнаружения целей на фоне локальных помех (в т.ч. коррелированных с полезным сигналом) по сравнению с традиционными методами первичной обработки.Предложен метод оценки расстояния до источника акустических колебаний на основе предсказания и моделирования трасс прохождения звуковых волн с учетом отражений, вызванных батиметрической рефракцией в средах с многолучевым распространением в горизонтальной плоскости. Показано, что реализация сбора и обработки широкополосных ГАС на основе современных высокопроизводительных микросхем программируемой логики позволяет увеличить производительность и снизить массогабаритные характеристики блока первичной обработки ГАС. Практическая значимость. Разработанные методы могут быть использованы для создания блоков первичной обработки гидроакустических комплексов, предназначенных для обнаружения целей и определения их параметров на фоне большого количества локальных помех. Следовательно, они могут применяться в современных пассивных гидролокационных системах, создаваемых на основе многоэлементных антенн. Применение данных методов позволит увеличить способность систем пассивной гидролокации. обнаружительную Внедрение полученных результатов. Результаты работы использовались для выполнения НИР «Цигуне» (20022004 гг.) и «Цурок» (2005-2007 гг.), посвященных исследованию методов первичной обработки ГАС в целях повышения эффективности систем пассивной и активной гидролокации. В рамках диссертационной работы разработан и создан электронный блок управления, сбора и обработки данных акустооптического приемника (АОП) Сибирского солнечного радиотелескопа (ССРТ) для Института солнечной и земной физики (ИСЗФ) СО РАН (г. Иркутск), с весны 2005 три экземпляра которого внедрены в опытную эксплуатацию на ежедневных наблюдениях ССРТ для формирования радиоизображений Солнца, Основные положения, выносимые на защиту. 1. Метод обнаружения целей, определения их пеленга и спектральных характеристик излучаемого звука на основе итеративного моделирования обладает лучшим пространственным разрешением при
