автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Имитатор полей сигналов и помех на выходе приемных элементов гидроакустической антенны в цифровом виде и программный комплекс расчета зон обнаружения

На правах рукописи

Скрипник Андрей Геннадьевич

Имитатор полей сигналов и помех на выходе приёмных элементов гидроакустической антенны в цифровом виде и программный комплекс расчета зон

обнаружения.

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в Научном центре волновых исследований Института

общей физики РАН

Научный руководитель:

д.ф.-м.н. Бородин В.В.

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н Уварова Л.А. д.ф.-м.н Данилов А.А.

Ведущая организация:

Тверской государственный технический университет (ТГТУ)

Защита состоится_

.декабря 2004 года в_

часов на заседании

диссертационного совета Д212.142.03 при Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, г. Москва, Вадковский пер., д. За

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан

2004 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.142.03, к.т.н., доц.

Семячкова Е.Г.

1. Общая характеристика работы.

Работа посвящена созданию компьютерного имитатора способного моделировать максимально приближенную к реальной помехосигнальную обстановку и отдельному программному комплексу расчета зон обнаружения.

Компьютерные имитаторы помехосигнальной обстановки используются для отладки программного обеспечения (ПО) и оценки эффективности работы современных гидроакустических систем перед натурными испытаниями.

В настоящий момент существуют и используются довольно примитивные имитаторы, которые имитируют независимую помеху, одну или несколько плоских монохромных волн. Соответственно, чтобы понять, как поведёт себя гидроакустическая система в той или иной реальной среде, необходимы натурные испытания целого макета. Проведение таких испытаний требует наличия определённого времени (от одной недели до нескольких месяцев), наличия плавсредства (это может быть простой катер, а может и целый пароход), высокопрофессионального персонала, обеспеченного необходимыми условиями для работы и проживания на период испытаний, и, наконец, если это необходимо, наличия реальных объектов-целей. Как правило, для получения максимально достоверной информации о работе одного макета, такие испытания необходимо проводить по несколько раз и в разных географических регионах. После завершения испытаний делается соответствующая доработка программного обеспечения, и испытания проводятся снова. Проведение даже одного такого испытания весьма дорого.

Создание компьютерного имитатора способного моделировать максимально приближенную к реальной помехосигнальную обстановку в различных существующих условиях, основанную на введении через графический интерфейс таких данных, как количество и параметры целей (их координаты, векторы скорости, шумности, эквивалентные радиусы, одна из выбранных целей излучает гидроакустические сигналы), способ обзора пространства, пачку зондирующих сигналов (ЗС), из определённого алфавита ЗС, гидрофизические характеристики региона (вертикальное распределение скорости звука (ВРСЗ), волнение поверхности, акустические свойства дна), и, наконец, временной интервал генерации сигналов, позволит разработчикам максимально отладить ПО и довольно точно оценить эффективность гидроакустического комплекса на стадии разработки макета и тем самым существенно сократить издержки при проведении натурных испытаний.

Программный комплекс расчета зон обнаружения позволяет оптимально выбрать основные технические параметры гидроакустического комплекса на стадии проектирования.

Предъявлены основные требования к вычислительному комплексу для моделирования помехосигнальной обстановки в режиме реального времени.

Цели работы.

Повышение эффективности разработки и отладки гидроакустических комплексов (ГАК) с помощью имитации максим^^^^^у^ен^ий, к реаль-

ной помехосигнальной обстановки на выходе приемных элементов ГАК и расчета зон обнаружения для различных модификации ГАК, а также создания реального научно-технического задела для разработки тренажера.

Для достижения поставленной цели были решена следующая научная задача на основе:

• Исследования современных математических моделей полей сигналов и помех

• Разработки методики оценки необходимых вычислительных затрат для моделирования помехосигнальной обстановки в режиме реального времени

• Разработки имитатора полей сигналов и помех на выходе приемных элементов ГАК

• Разработки программного комплекса расчета зон обнаружения

Научная новизна.

• Разработаны алгоритмы генерации полей сигналов и помех зависящие от гидро-, метео-, физической обстановки

• Разработаны алгоритмы расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах

• Определена зависимость требуемой производительности для моделирования помехосигнальной обстановки от количества приемных элементов и частоты дискретизации

Практическая ценность работы.

Компьютерный имитатор полей сигналов и помех на выходе отдельных элементов приемной антенны в цифровом виде позволит разработчикам максимально отладить ПО и довольно точно оценить эффективность гидроакустического комплекса на стадии разработки макета и тем самым существенно сократить издержки при проведении натурных испытаний.

Программный комплекс расчета зон обнаружения позволяет оптимально выбрать основные технические параметры гидроакустического комплекса на стадии проектирования и тем самым сократить число необходимых испытаний, которые требуют определённых финансовых затрат.

Представленные программные комплексы, а также анализ необходимых вычислительных ресурсов можно использовать при разработке тренажера.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались на научных конференциях, в частности, на седьмой научной конференции МГТУ «Станкин», на шестом международном конгрессе по математическому моделированию в Нижегородском государственный университете им. Н.И.Лобачевского.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ.

Личный вклад автора.

Цель работы была сформулирована В. В. Бородиным. Личный вклад автора состоял в разработке устойчивых алгоритмов генерации полей сигналов и помех, основанных на их современных математических моделях, разработке программной реализации алгоритмов расчета зон обнаружения, разработке интерфейса пользователя и оценки необходимых вычислительных ресурсов для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени. Все вошедшие в научную работу результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.

Объем работы. Диссертация состоит из двух глав, заключения, списка литературы и двух приложений; изложена на 87 страницах и включает 46 рисунков и 10 таблиц.

2. Краткое содержание диссертации.

Во введении обоснована актуальность создания представленных программных комплексов, их основное и перспективное применение.

В первой главе диссертации описан разработанный имитатор полей сигналов и помех на выходе приёмных элементов ГАК.

За последние 60 лет развития гидроакустики были разработаны модели полей сигналов и помех зависящие от гидро-, метео-, физической обстановки. Весь мировой океан был условно разделён на регионы в которых гидрофизические параметры в определённый сезон можно считать неизменными.

В первом параграфе описаны математические модели следующих полей сигналов и помех:

Корабельная помеха

где asN(w) = pÍJ(~)2 - спектральная плотность корабельной помехи на отдель-

ном приемнике, а матрица

ственное распределение корабельной помехи.

определяет простран-

Реверберационная помеха

XA(t)eN{0,KR{t))>

KR(x, -х,.;«,*)= |e'^e'Xr"V)NR(í,e)dn|S(W)|2

(2)

Здесь NR(t,e) - угло-временной спектр реверберации, е - единичный вектор, характеризующий направление прихода помехи, хг - координаты r-го приемника, S(ú>) - комплексный спектр ЗС, отнормированный так что £ |5(ил)|2=1, dQ - элемент телесного угла. Угло-временной спектр реверберационной помехи NR(t,e) определяется в соответствии со следующим выражением:

NR(í,e) = —Ps (е, /о) (е) msj, (е) cs¡¡, ^-R.

(3)

Здесь W - мощность излученного сигнала, р с - импеданс воды, ys - коэффициент концентрации излучающей антенны, Ps (e, f0) - ее ХН, Ай - амплитуда луча с углом прихода в фазовый центр антенны, определяемым единичным вектором е, msb - коэффициенты обратного рассеяния от поверхности и дна, csb - скорость звука у поверхности или у дна, At - длительность ЗС, R -горизонтальное расстояние между фазовым центром антенны и точкой рассеяния.

Поле полезного сигнала в режиме ШП

Здесь хв(ы) = р£(—)2 - спектральная плотность излученного сигнала, а О(хо, й>) - функция Грина морского волновода, которая дается выражением:

¡С(х0;«»= {О(хг)х0;«)} = £ А^х^-е"""^^'^ . (5)

Здесь М- число лучей соединяющих точки с координатами Х0 и хА - источник и фазовый центр приемной антенны, Ар - амплитуда сигналов пришедших по этим лучам, t|t- времена распространения, е^ - единичные векторы касательные к этим лучам в фазовом центре приемной антенны, d г =х г-хА - относительные координаты приемников.

Поле полезного сигнала в режиме ОГС

(6)

Здесь величины Ац, ей такие же, как и в предыдущем выражении, 8(1) -сигнал, излученный целью, ^ - момент времени начала излучения, - могц-

о

ность излученного сигнала, - доплеровский параметр, где - ско-

С

рость цели.

Поле полезного сигнала в режиме ГЛ

(7)

Здесь - лучевые параметры поля эхо-сигнала (где

единичные векторы, касательные к лучам, выходящим из излучаемой антенны и приходящим в приемную антенну), Яэ - эквивалентный радиус цели, хт - ее ко-

К,(ж„ж,,) - |<3<ж,;ы))(<3(1в;ы)| «,(">)

ординаты, S(t) - ЗС, W - его мощность, у„ Р5 - коэффициент концентрации и ХН излучающей антенны, ек - направление компенсации излучающей антенны.

Поля сигналов и помех в режимах ГЛ, ШП, ОГС определяются условиям излучения, рассеяния и распространения в морской среде. Для режима ГЛ полезным сигналом является поле эхосигнала, а полями помех - корабельная помеха и морская реверберация. Для режимов ШП и ОГС помехой является корабельная помеха, а поля полезных сигналов определяются функцией Грина океанического волновода. Во всех режимах шумами моря по сравнению с корабельной помехой мы будем пренебрегать, поскольку их мощность на два порядка меньше мощности корабельной помехи.

Во втором параграфе описаны алгоритмы генерации полей сигналов и помех. В нём приведены последовательности необходимых вычислений для реализации каждой математической модели искомых полей сигналов и помех.

Для генерации помех сначала рассчитывается соответсвующая матрица спектральных плотностей и затем происходит приведение матрицы независимых комплексных чисел к матрице зависимых комплексных чисел коэффициенты корреляции которых задаются матрицей спектральных плотностей.

Поля полезных сигналов рассчитываются во временной области и определяются функцией Грина волновода.

В третьем параграфе приведено краткое описание структуры программного обеспечения.

В общем виде интерфейс пользователя показан на рис. 1 а) главное окно, б) окно задания так называемых базовых импульсов.

Рис.11. Интерфейс пользователя

В пятом параграфе представлены результаты генерации полей сигналов и помех (численные примеры).

В качестве контрольного примера были рассчитаны поля сигналов и помех для следующих условий. Условия распространения соответствовали зимним

условиях Баренцева моря, волнения поверхности 3 балла, модель дна - 3 тип расчлененности. Количество целей - три, их координаты (х,у,г) в км: (7.7, 0.5, 0.1), (8, 0, 0.006), (10, 10, 0.006), векторы скорости (скорость в узлах, направления в град): (3 узла, 15°), (2 узла, 100°), (6 узлов, 50°), шумности в ПаЛ/Гц:- 0.05, 0.02, 0.03, эквивалентные радиусы в м : 10, 20, 10. Первая цель излучала активный сигнал: ИГЧМ с /> = 2,97 кГц, Д/"= 0,54 кГц, = 0,022 сек. Антенна «Комплекса» работала в режиме кругового обзора с переключением излучая пачку из 23 сигналов. Генерировались поля сигналов и помех в интервале времени от 10 сек до 40 сек от момента времени излучения первого сигнала.

На рис.2 изображена сумма эхо-сигнала, реверберации и корабельной помехи. (для режима ГЛ)

Рис.2. Входное воздействие в режиме ГЛ

На рис.3 изображена сумма полезных сигналов в режиме ШП от трех целей и корабельной помехи.

Номера приемников

О 10

ВремЯ,сек

Рис.3. Входное воздействие врежимеШП

На рис. 4 изображена сумма полезного сигнала, излученного первой целью и корабельной помехи.

Номера приемников

0 Ю

ВремЯ, сек

Рис.4. Входное воздействие врежиме ОГС

В шестом параграфе изложен расчет необходимой производительности для моделирования помехосигнальной обстановки врежиме реального времени.

Основными параметрами, которые влияют на требовательность к вычислительной системе, являются число приёмников (Кг) и частота дискретизации

т.

Наиболее трудоёмкими процессами являются имитация собственной помехи для всех режимов и моделирование реверберационной помехи.

Для режима ГЛ и ОГС необходимо заранее сформировать комплексную матрицу спектральных плотностей размерности №•*(№*£), и затем умножить её на случайную комплексную матрицу размерности (¿Уг*е)х./ч/. Реальная часть получившегося массива есть искомая матрица. Таким образом:

Ор = (Мг * Л/ ■+ 2 * Л/ * Иг * € + Иг * Ыг * е) * 8 (9)

где - доля существенных значений матрицы спектральных плотностей, 4 - это коэффициент равный количеству арифметических операций для комплексных чисел, 8 - число байт памяти для хранения одного числа массива, 2 -коэффициент для хранения в памяти комплексного числа

Для режима ШП необходимо произвести те же операции, что и для режимов ГЛ и ОГС, плюс обратное преобразование Фурье по частоте для каждого приёмника.

Ыг=^*Р<1* б * 4+ № *РсПояг^Ф, (10)

где Иг * ЛМо&^Ф - число необходимых вычислений для обратного преобразования Фурье.

Поскольку реверберационная помеха неоднородное нестационарное поле, то мгновенный угловой спектр реверберации для каждого момента времени будет другой. Соответственно в отличие от предыдущих режимов, матрицу спектральных плотностей необходимо насчитывать на каждом временном интервале на всей длительности генерации.

Таким образом:

• Для каждого сигнала вычисляется спектр. (Вектор длинойМм )

• Этот вектор умножается на случайную комплексную матрицу (4 *

М* * Аг * е)

• От получившейся матрицы берётся обратное преобразование Фурье для перевода этой матрицы из частотной во временную область (2 * N03 * 1с^2(2* N03))

• Далее происходит умножение на корень из матрицы спектральных плотностей для соответствующего момента времени

• И затем получившаяся матрица в соответствующий момент времени добавляется в результирующий массив

• Далее вся процедура повторяется для каждого момента времени и для каждого излучённого сигнала

Формула вычисления необходимых операций для реверберационной помехи имеет вид:

N ъ = ЯзГ/Мо * Из *(4 * №о * № * е + 2 * № * 1о&(2* №л) +4* Ыгг*е* Ма),

или:

=2* Р<1* №*(2* Ш* е + \оъг{2* №) + 2* N1** е), (11)

Ор = Иг * №2 * № +2 * И? * ЛИУм + 2 * Ш * ЛГг * е, (12)

где - число излучаемых сигналов, Ыи - число частот участвующих в формировании случайного процесса.

Произведя соответствующие вычисления в итоге становится ясно, что имитацию помехосигнальной обстановки в режиме реального времени для «малого класса ГАК» можно реализовать на современном офисном компьютере с установленной дополнительной платой с сигнальными процессорами класса АБ8Р-Т82018 производительностью 3.6 гигафлопса, а для имитации помехо-сигнальной обстановки для больших антенн необходим вычислительный комплекс мощностью порядка 4 терафлопс. При этом количество требуемой оперативной памяти может достигать 3.25* 109 байт.

Во второй главе описан программный комплекс расчета зон обнаружения.

Программный комплекс расчета зон обнаружения позволяет оптимально выбрать основные технические параметры гидроакустического комплекса на стадии проектирования.

В первых двух параграфах представлены алгоритмы расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах. В этих двух параграфах описано решение задачи обнаружения цели путём пространственно-временной обработки сигналов.

После описания теоретической части представлена структура программного обеспечения и описание интерфейса пользователя.

Программный комплекс состоит из следующих программ:

1. Программы для вычисления характеристик звуковых полей сигналов и помех: лучевых параметров прямого поля и поля эхо сигнала, углового спектра

шумов моря и угло-временного спектра морской реверберации в соответствии с выражениями 1,3,5,6,7.

2. Программы для вычисления в режиме шумопеленгования на заданной двумерной сетке отношения сигнал/помеха или вероятности правильного обнаружения алгоритмов Бартлета и Кейпона при приеме сигналов на цилиндрические звукопрозрачные антенны с произвольным числом элементов. Вероятность правильного обнаружения определяется выражением:

(13)

где Рс - вероятность правильного обнаружения, Р? - вероятность ложной тревоги, р - отношение сигнал/помеха, О'о, 0\ - среднеквадратические отклонения решающих статистик при гипотезах Но (измерением является чистая помеха) и Н1 (измерением является сумма полей помехи и полезного сигна-

00 — Л

ла), Цх) = \е 2 -р= - функция Лапласа, а Ь'1 - функция обратная к функции

; я*

Лапласа.

Отношение сигнал/помеха (ОСП) для алгоритма Бартлета описывается выражением:

(14)

а для алгоритма Кейпона выражением:

(15)

3. Программы для вычисления в режиме бистатической гидролокации на заданной двумерной или трехмерной сетке отношения сигнал/помеха или вероятностей правильного обнаружения алгоритмов Бартлета и Кейпона при приеме эхо-сигналов на цилиндрические звукопрозрачные антенны с произволь-

ным числом элементов. Форма излучающей антенны - вертикальная линейка. Вероятность правильного обнаружения задается выражением:

Ро= + оЩл,

00

(16)

где 70 - функция Бесселя мнимого аргумента, а р - отношение сигнал/помеха. Для алгоритма Бартлета ОСП описывается выражением:

здесь Рл - диаграмма направленности ПА, ^(е) - угловой спектр шумов моря, ^(е,/) - угловой спектр реверберацй^) - функция неопределенности ЗС, ео - направление компенсации ПА, ? - время задержки, А^ е^ 1М - нормированные амплитуды, направления прихода и времена прихода лучей поля эхо-сигнала, IV- могцностьЗС, рс - импеданс воды, # -коэффициентконцентрации ИА, Дг, Д/ - длительность и полоса ЗС. В свою очередь амплитуды эхо-сигнальных лучей и угловой спектр реверберации определяются диаграммой направленности ИА.

Для алгоритма Кейпона ОСП описывается выражением:

4. Графического интерфейса пользователя, программы «И^Раа»»

5. Для визуализации результатов использовались графические библиотеки пакета МЛТЬЛБ 6.1.

Основные формы ввода пользовательского интерфейса показаны на рис.810

(17)

(18)

Рис.9 Параметры системы

Рис 10 Параметры цели

В девятом параграфе представлены графические примеры результатов вычислений зон обнаружения для возможной модификации комплекса (Рис. 11)

20 40 60 80 100

Дальность(Х) [км]

Баренцево море, зима, (0 ,01>(0 ,01), 1= 0100

Координата X [км]

Рис.11. Зоны обнаружения зимой в Баренцевом море. Модификация 1.

Активный режим, ha = 100м

В Заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты работы:

1. Впервые разработан и реализован компьютерный имитатор полей сигналов и помех на выходе отдельных элементов приемной антенны в цифровом виде.

• Разработаны алгоритмы генерации полей сигналов и помех позволяющие генерировать с заданной точностью на апертурах антенн анизотропные и неоднородные поля

• Разработан доступный графический пользовательский интерфейс для проведения тестирования ПО современного ГАК

• Использование данного имитатора или отдельных его элементов возможно для разработки тренажера.

2. Впервые разработан и реализован программный комплекс для расчета зон обнаружения.

• Разработаны алгоритмы программной реализации расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах

• Разработан доступный графический пользовательский интерфейс для проведения исследований в области выбора основных технических параметров современного ГАК на стадии разработки

3. Проведена оценка трудоёмкости выполняемых задач и представлены основные требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени.

Список основных опубликованных работ по теме диссертации.

1. Скрипник А.Г. Генерация полей сигналов на выходе элементов приёмной гидроакустической системы. // Материалы VII-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», М. 2004, с.41-43.

2. Скрипник А.Г. Генерация реверберационной помехи на выходе элементов приёмной гидроакустической системы. // Материалы VII-й научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН», М. 2004, с.43-46.

3. Скрипник А.Г. (2004) «Компьютерный имитатор полей сигналов и помех на выходе элементов приёмной системы в режимах гидролокации, шумопелен-гования, обнаружения гидроакустического сигнала» М.: Янус-К, 2004. - 40 с.

4. Скрипник А.Г. (2004) «Программный комплекс расчета зон обнаружения в океане» М.: Янус-К, 2004. - 40 с.

5. Скрипник А.Г. (2004) «Генерация шумов моря на выходе элементов приёмной гидроакустической системы», М.: Объединённый научный журнал № 10, с. 71

6. Скрипник А.Г. «Расчет зон обнаружения в активном бистатическом режиме», М.: Объединённый научный журнал № 13, с. 77

7. Скрипник А.Г. «Расчет зон обнаружения в пассивном режиме» М.:Объединённыйнаучный журнал №13, с. 79

8. Скрипник А.Г, Бородин В.В. «Model of source field». // VI International Congress on Matematical Modeling, Book of Abstracts, University of Nizhny Novgorod, 2004 с. 125

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Скрипник Андрей Геннадьевич

Имитатор полей сигналов и помех на выходе приемных элементов гидроакустической антенны в цифровом виде и программный комплекс расчета зон обнаружения

Лицензия на издательскую деятельность ЛР №01741 от 11.05.2000 Подписано в печать 18.11.2004. Формат 60х90'/16 Уч.изд. л. 1,25. Тираж 50 экз. Заказ № 221

Отпечатано в Издательском Центре МГТУ «СТАНКИН» 103055, Москва, Вадковский пер., д.3а

»25770

И9

введение. часты. программный комплекс моделирования полей сигналов и помех.

§1 модели полей сигналов и помех.

1.1 Модель функции Грина.8'

1.2 Модели полей сигналов.

1.3 Модели полей помех.

§ 2алгоритмы генерации полей сигналов и помех.

2.1 Алгоритм генерации корабельной помехи.

2.2 Алгоритм генерации реверберационной помехи.

2.3 Алгоритм генерации поля эхо-сигнала.

2.4 Алгоритм генерации поля полезного сигнала в режиме ОГС.

2.5 Алгоритм генерации поля полезного сигнала в режиме ШП.

§ зструктура программного обеспечения, входные и выходные переменные.

3.1 Описание программы BiStat.exe.

3.2 Генерация полей сигналов и помех на выходе элементов приемной антенны.

§ 40писание интерфейса пользователя.

4.1 Гидрофизические данные.

4.2 Набор базовых импульсов.

4.3 Временной интервал имитации.

4.4 Параметры пачки сигналов.

4.5 Параметры цели.

4.6 Режимы наблюдения и поля сигналов и помех.

§ 5резулбтаты генерации полей сигналов и помех численный пример).

§ бобщая оценка необходимых вычислительных ресурсов для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени:.

6.1 Расчет необходимых вычислений для генерации корабельной помехи в единицу времени.

6.2 Расчет необходимых вычислений для генерации реверберационной помехи.

6.3 Расчет необходимых вычислений для генерации поля эхо-сигнала.

6.4 Расчет необходимых вычислений для генерации поля полезного сигнала в режиме ОГС.

6.5 Расчет необходимых вычислений для генерации поля полезного сигнала в режиме ШП:.

6.6 Основные требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени для «малого класса ГАК».

6.7 Основные требования к облику вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени для «Большого класса ГАК».

часть 2. программный комплекс расчета зон обнаружения.

§ 7алгоритмы расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах.

7.1 Расчет зон обнаружения в пассивном режиме.

7.2 Расчет зон обнаружения в активном бистатическом режиме.

§ 8структура программного обеспечения.

§ 90писание интерфейса пользователя.

9.1 Гидрофизические данные.

9.2 Параметры системы.

9.3 Параметры цели.

9.4 Расчет зон обнаружения и построение графиков.

9.5 Промежуточные значения.

§ 10 результаты вычислений.

Работа посвящена созданию компьютерного имитатора способного моделировать максимально приближенную к реальной помехосигнальную обстановку и отдельному программному комплексу расчета зон обнаружения.

Компьютерные имитаторы помехосигнальной обстановки используются для отладки программного обеспечения (ПО) и оценки эффективности работы современных гидроакустических систем перед натурными испытаниями.

В' настоящий момент существуют и используются довольно примитивные имитаторы, которые имитируют независимую помеху, одну или несколько плоских монохромных волн [13 ^ 14]. Соответственно, чтобы понять, как поведёт себя гидроакустическая система в той или иной реальной среде, необходимы натурные испытания целого макета. Проведение таких испытаний требует наличия определённого времени (от одной- двух недель до нескольких месяцев), наличия плавсредства (это может быть простой катер, а может и целый пароход), высокопрофессионального персонала, обеспеченного необходимыми условиями для работы и проживания на период испытаний, и, наконец, если это необходимо, наличия реальных объектов-целей. Как: правило, для получения максимально достоверной информации о работе одного макета, такие испытания необходимо проводить по несколько раз и в разных географических регионах. После завершения испытаний делается соответствующая доработка программного обеспечения, и; испытания проводятся снова. Проведение даже одного такого испытания весьма дорого.

Создание компьютерного имитатора способного моделировать максимально приближенную к реальной помехосигнальную обстановку в различных существующих условиях, основанную на введении через: графический интерфейс таких данных, как количество и параметры целей (их координаты, векторы скорости, шумности, эквивалентные радиусы, одна из выбранных целей излучает гидроакустические сигналы), способ обзора пространства, пачку зондирующих сигналов (ЗС), из определённого алфавита ЗС, гидрофизические характеристики региона (профиль скорости звука (ВРСЗ), волнение поверхности, акустические свойства дна), и, наконец, временной интервал генерации сигналов, позволит разработчикам максимально отладить ПО и довольно точно оценить эффективность гидроакустического комплекса на стадии разработки макета и тем самым существенно сократить издержки при проведении натурных испытаний.

Программный комплекс расчета зон обнаружения позволяет оптимально выбрать основные технические параметры гидроакустического комплекса на стадии проектирования.

Предъявлены основные требования к вычислительному комплексу для моделирования помехосигнальной обстановки в режиме реального времени;

В основу диссертационной работы легли - программная реализация современного математического представления полей сигналов и помех на выходе приемных элементов ГАК [6, 47, 50, 51, 52, 58, 60], программная реализация алгоритмов расчета зон обнаружения в активном и пассивном режимах работы ГАК [21, 25, 26, 39], а также разработка интерфейса пользователя для проведения соответствующих исследований при разработке современного ГАК.

Впервые компьютерный имитатор предоставляет возможность оператору:

1. сгенерировать отдельные поля сигналов:

• «Собственная помеха» [61]

• «Реверберация» [2]

• «Эхо-сигнал» [3]

• «Сигнал НШ» [3]

• «Сигнал ОГС» [3]

2. имитировать непосредственно 3 режима работы современного ГАК:

1. режим гидролокации

2. режим шумопеленгования

3. режим обнаружения гидроакустического сигнала

3. с помощью графического интерфейса вносить изменения и дополнения в основные параметры разрабатываемого ГАК, а также в параметры среды его использования.

Впервые создан программный комплекс расчета зон обнаружения позволяющий в графическом виде просмотреть вероятность обнаружения цели с известными параметрами для рассматриваемого ГАК в определённой среде (параметры среды, цели и ГАК задаются оператором через графический пользовательский интерфейс).

Впервые проведена оценка необходимых вычислительных ресурсов для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые разработан и реализован компьютерный имитатор полей сигналов и помех на выходе отдельных элементов приемной антенны в цифровом виде.

• Разработаны алгоритмы программной реализации математических моделей полей сигналов и помех на выходе приемных элементов ГАК

• Разработан доступный графический пользовательский интерфейс для проведения тестирования ПО современных ГАК

• Использование данного имитатора или отдельных его элементов возможно для разработки тренажера.

2. Впервые разработан и реализован программный комплекс для расчета зон обнаружения.

• Разработаны алгоритмы программной реализации расчета зон обнаружения в пассивном и активном режимах

• Разработан доступный графический пользовательский интерфейс для проведения исследований в области выбора основных технических параметров современного ГАК на стадии разработки

3. Проведена оценка трудоёмкости выполняемых задач и представлены основные требования к производительности вычислительного комплекса для моделирования полей сигналов и помех в режиме реального времени, как для «Большого класса ГАК», так и для «Малого класса ГАК».

1. Бреховских Л.М. (ред.) Акустика океана. Наука, Москва, 1974.

2. Авербах В. С., Бондарь Л. Ф., Голубев В. Н. и др., Дальняя поверхностная реверберация звука в океане, Акуст. журн. 1990. Т. 36. с. 29-33.3; Агеева Н. С., Звуковое поле сосредоточенного источника в океане// в кн.: Акустика океана/, М., 1974, с. 169-229.

3. Андреева И. Б. Рассеяние звука поверхностью и приповерхностным слоем океана// в кн.: Акустика океана. Современное состояние / Под ред. Л. М. Бреховских и И: Б. Андреевой., М.: Наука, 1982. с. 118-132.

4. Андреева И. Б., Бреховских Л. М., Акустика и океан, М: Природа, 1976, №11:

5. Андреева И.Б., Гончаров В.Н., Методы расчета многолучевой реверберации и контрольные сравнения с экспериментом. //В; сб. Проблемы акустики океана!, М.: Наука, 1984, сс.69-77.

6. Басс Ф. Г., Фукс И. М., Рассеяние волн на статистически неровной поверхности, М.: Наукам 1972.

7. Белов А. И., Лебедев О. В., Программа для расчета < звукового поля в мелководном волноводе методом параболического уравнения // Сб. тезисов 2 Всесоюзн. конф. Численные методы в современных волновых задачах акустики/, М;: АКИН. 1988. с. 34-36.

8. Блейстейн Н . Коэн Дж. К- Обратные методы //в кн.: Акустика океана / Под ред. Дж. дс Санто / пер. с англ., М : Мир. 1982. с. 261-270.

9. Бородин В.В. О потенциальной точности решения задачи томографии океана. Акуст. журн., 1995, №6.

10. Бородин В.В., Об уравнениях для первых двух моментов звукового поля в горизонтально стратифицированном волноводе со статистически неровной границей, Акуст. журн. т.33 (1987), № 4, с.588-598.

11. Бородин В.В., Рассеяние звука на флюктуациях показателя преломления, обусловленных внутренними волнами в океане // в кн.: Акустические волны в океане/, М: Наука, 1987.

12. Бреховских JI. М., О распространении звука и подводном звуковом канале, ДАН СССР, 1949, т. 69, № 2, с. 157—160.

13. Бреховских Л; М., Дифракция звуковых волн на неровной поверхности., ДАН СССР, 1951, т. 79, № 4.

14. Бреховских JI.M., Волны в слоистых средах., М.: Изд. академии наук СССР, 1957.

15. Бреховских Л. М., Элементы теории звукового поля в океане// в кн.: Акустика океана/, М.: Наука, 1974;

16. Бреховских JI. М., Годин О. А., Акустика слоистых сред, М.: Наука 1989.

17. Бреховских Л.М., Лысанов Ю.П. Теоретические основы акустики океана: Л.: Гидрометеоиздат, 1982.

18. Буров В. А., Горюнов А. А., Сосковец А. В., Тихонова Т. А., Обратные задачи рассеяния в акустике , Акуст. журн. 1986. Т. 32, № 4. с. 433-449.

19. Бухштабер В. М,, Маслов В. К., Методы решения обратных задач дистанционного зондирования океана//в кн.: Методы гидрофизических исследований, Горький: ИПФ АН СССР. 1987.

20. Бьёрнё Л: (ред.), Подводная акустика и обработка сигналов /пер. с англ., М: Мир, 1985.

21. Ваганов Р. Б., Каценеленбаум Б. 3., Основы теории дифракции., М.: Наука. 1982.

22. Чупров С. Д., Интерференционная структура звукового поля в слоистом океане //в кн.: Акустика океана. Современное состояние / под ред. Бреховских Л. М. и И. Б. Андреевой. М.: Наука. 1982. с. 71-91.

23. Вадов Р. А., Затухание низкочастотного звука в океане //в кн.: Проблемы акустики океана / под ред. JI. М. Бреховских и И. Б. Андреевой., М.: Наука. 1984. с. 31-42.

24. Ван Трис Г., Теория обнаружения, оценок и модуляции, т.1 Теория обнаружения, оценок и линейной модуляции /пер. с англ., М.: Сов. радио, 1972.

25. Ван Трис Г., Теория обнаружения, оценок и модуляции. т.З Обработка сигналов в радио и гидролокации /пер. с англ., М.: Сов.радио, 1975.

26. Ватсон Г. Н., Теория бесселевых функций./ пер. с англ., М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1949.

27. Веденев А. И., Гончаров В. В., Курьянов Б. Ф., Оценка акустических параметров морского дна по интерференции широкополосного звука //в кн.: Акустические волны в океане / под ред. JL М. Бреховских и И. Б. Андреевой, М.: Наука. 1987. с. 162-173.

28. Вировлянский А. Д., Саичев А. И., Славинский М. М., О спектре сигнала, принимаемого движущимся приемником в подводном звуковом канале, Акуст. журн. 1985. Т. 31, № U с. 22-26.

29. Воловов В. И;, Житковский Ю. Ю., Отражение и рассеяние звука дном океана// в кн.: Акустика океана/, М., 1974, с. 395-490.

30. Воронович А. Г., Приближение некоррелированных отражений в задаче о распространении звука в волноводе со статистически неровной границей, Акуст. журн. 1987. Т. 33, № 1. с. 19-30.

31. Воронович А. Г., Гончаров В. В., Куртепов В. М., Основные акустические эффекты, обусловленные мезомасштабной изменчивостью окена //в кн.: Проблемы, акустики океана / под ред. JI. М. Бреховских и И. Б. Андреевой,. М.: Наука. 1984. с. 3-16.

32. Галыбин Н. И, Обратное рассеяние звука взволнованной поверхностью океана. Расчет и эксперимент,. Акуст. журн., 1976, т. 22 № 3, с. 343-350.

33. Гончаров В.В., Зайцев В.Ю., Куртепов В.М., Нечаев А.Г., Хилько А.И., Акустическая томография* океана, Н.Новгород: Институт прикладной физики РАН, 1997.Исакович М.А., Общая акустика, М.: Наука, 1973.

34. Гончаров В. В., Куртепов В. М., Численные эксперименты по томографии океана//в кн.: Акустика океанской среды / под ред. JI. М. Бреховских и И. Б. Андреевой., М.: Наука, 1989. с. 107-115:

35. Гончарский А. В., Черепащук А. М., Ягола А. Г., Численные методы решения обратных задач астрофизики, М.: Наука. 1978.

36. Горская Н. В., Зверев В. А., Николаев Г. Н. и др., О реконструкции пространственной локализации вторичных гидроакустических источников // Сб. тезисов XI Всесоюзной конф., М.: АКИН. 1991. с. 16-18;

37. Горюнов А. А., Сосковец А. В. Обратные задачи рассеяния в акустике. М.: МГУ. 1989.

38. Градштейн И. С, Рыжик И. М., Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений, М: Физматгиз, 1962.

39. Грегори К., Использование Visual С++ 6. Специальное издание / пер. с англ., М.: Издательский дом "Вильяме", 2000.

40. Формирование акустических полей в океанических волноводах // сбор, науч. тр./, Н.Новгород: Институт прикладной физики РАН, 1991.

41. Гулин Э. П., О когерентности акустического поля при отражении звука от взволнованной морской поверхности, ДАН СССР, 1973, т. 212 № 5, с. 1082-1085.

42. Гулин Э. П., Статистические характеристики квадратурных составляющих звуковых сигналов, отраженных от взволнованной поверхности моря.—Акуст. журн., 1975, т. 21, № 5, с. 721—731.

43. Джеффри с Г., Свирлс Б., Методы математической физики / пер. с. англ.,М.: Мир, 1970.

44. Завадский В.Ю., Моделирование волновых процессов, М.: Наука, 1991.

45. Зигмунд А., Тригонометрические ряды./ пер. с англ., М.: Мир, 1965.

46. Исимару А., Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 1, 2. М.: Мир. 1981.

47. Исакович М. А., Рассеяние волн от статистически шероховатой поверхности, ЖЭТФ, 1952, т. 23, № 3, с. 305-314.

48. Фурдуев А. В., Спектры шумов океана и псевдозвуковые помехи звукоприему, Вопросы судостроения, сер. Акустика, 1978, вып. 10.

49. Келлер Дж. Б., Пападакис Дж. С., Распространение волн и подводная акустика, М.: Мир. 1980.

50. Клей К. С, Мед вин Г., Акустическая океанография / пер. с англ., М.: Мир, 1980.

51. Клячин Б. И., Многократное рассеяние плоской волны на неровной поверхности при наличии приповерхностного волноводного канала, ДАН СССР. 1984. Т. 278, № 1. с. 69-72.

52. Кремер И.Я., Кремер А.И., Петров В.М., Пространственно-временная обработка сигналов, М.: Радио и связь, 1984.

53. Кряжев Ф. И., Кудряшов В. М., Пространственная и временная корреляционные функции звукового поля в волноводе с неровными границами, /куст. журн. 1978. Т. 24, № 2. с. 209-215.

54. Кудряшов В. М., Влияние рассеяния на шероховатой статистически однородной границе на звуковое поле при наличии волноводного распространения, Акуст. журн. 1971. Т. 17, № 4. с. 582-587.

55. Курьянов Б. Ф., Подводные шумы океана //в кн.: Акустика океана. Современное состояние / Под ред. JI. М. Бреховских и И; Б. Андреевой, М.: Наука. 1982. С. 164-174:

56. Моисеев А. А., Поле собственных шумов случайно-неоднородного океана //Акуст. журн. 1987. Т. 33, № 6. с. 1105-1111.

57. Постное Г. А., Расчет характеристик распространения акустических волн высокой частоты в приповерхностном волноводе с неровной поверхностью, Акуст. журн. 1986. Т. 31, № 6. с. 633-638.

58. Потемкин В.Г., Система MATLAB. Справочное пособие, М: Диалог МИФИ, 1997.

59. Рытов С. М., Кравцов Ю. А., Татарский В. И., Введение в статистическую радиофизику. Ч. П., М.: Наука, 1978.

60. Смирнов В. И., Курс высшей математики. 3-е изд. т. 41— М., ГИТТЛ, 1953.

61. Справочник по специальным функциям /под ред. М. Абрамовича, И. Стигана./ пер. с англ., М.: Наука, 1979.

62. Споффорд К. В., Определение гидроакустических параметров из данных о потерях в дне //в кн.: Акустика дна океана / под ред. У. Купермана, Ф. М. Енсена, М.: Мир. 1984. с. 120-130.

63. Тихонов А. Н,, Гончарский А. В., Степанов В. В., Ягола А. Г., Регуляризующие алгоритмы и априорная информация., М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит. 1983.

64. УрикР. Д., Основы гидроакустики., JI.: Судостроение. 1978.

65. С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения., Москва «Мир» 1990

66. Форма ввода основных параметров.

67. The simulator of hyliroat:omlic torn ilex

68. ГидроФиалеские дамнае Гидрология Norway Sim™1. Ромигцхвгть1. Набор базовым к#ипу/ьсовГ

69. Типпмвднности Оцжвеляетсяветром Во,™»»» в б*™» 3 -J Време«<ой сервал ««таи*. (с|1. Тиач 0 Тконеч 31. Параметры пачки сигналовклм 1 ------------•— 1 DUIIMIIU о а| Г,"

70. Тилдна слабое отражение 7. Коэффициенты

71. Параметры пели Кс/ичестео * TsgetOх- ТГ y- 10.001 2- [йлгё

72. Скорость Уэл. 30 Направление |Град| 0

73. Элв«апенгч1Д радикс м. Р® Ш^иостъ 0[К

74. Режим излучения i ^ КОП Сектор обзора

75. Направление ПочасовойС(ре«ие »{ Коялвство цииюв 11 31. Режьма наблодамя1. Г ГЛ Г ШП1. ОПС

76. Вертикальный ум компенсаш« WA (Грая) Ж.; Cancd1. Старт1. Поля

77. Г~ Собстветый туч & Реверберация

78. Г Эюскнал Г СмимШГ! Г Сигнал ОГС

79. Форма ввода излучаемых сигналов1. Набор базовых импульсов

80. Параметры базовых имгк|/*>сое1. Сигнал1Т ональный сигнал711. Мощность (ВтJ 301. Несуцая частота 21. Длггельмосгъ огнала (с) з1. Полоса 2 jJ1. Сохранить сигнал

81. Форма ввода сигнала излучаемого целью.1. Сигнал излучаемый целью X 1. Основные параметры —а

82. Набор базовых импульсов 11

83. Момент времени начала излу»е™п cw-нала ^1. Cancelг к i

84. Форма ввода гидрофизических данных

85. Гидрофизические данные Параметры систем Параметры uent |1. ГнорологнiSancbvV

86. Tm помятости .Опрвледяется ветром j-J1. Реаактцюмть

87. Twiana |АЙп)11сгтж>е отражение j»j1. ФФиц^р.Ч^Р^^агд» И"саврас*™™*™™ И"1. УрОВВ№ шумов rvH^JS 000091. Расечетэонс1. AKTWbApexw1. ПассимА режим1. Просмотр ПР(М«ИУТРЧМ11. Посгроа** граФнив1. Для «т ямго рента1. Для пававноге режима

88. Форма ввода параметров системы- .flMPan

89. ГнАрофммческмбд***»* Параметры системы Параметры цели Параметры грнв*«ой зкге***?11. Цнсдо колец ^1. Число а кольце ^

90. Радиус ци/мцфМ") 1а215 Варпашъ+ый размер антемы £м) 040~1. Длительность приема |с|

91. Глд6м*в приапюА «trow |км|0.004ье фгы компегпщч грай,.е улы км^пенсацю* гран.6—1. Литот частот (кГц.0.5

92. Количеств a wwrt»>№ 1 *т>п имнснш № (град) !0арпамлы«(1(мвмаоИА(м. 0 34 Мощность ЗСВт1 200 Полой ЭС №1 3

93. Расстоемч мймоу ПА н № (ma) 0М Джгиывиь X (с) F1. Цмгршьмя частите faTu)1. Глубина ИА Екм) 00065

94. Рлсс*т зон 0*5идруж⹫ lT« ретгии1. Просмотр гоонекдоаде1. Псстрвяня ЦИ»М Для1. Дм

95. Форма ввода параметров цели

96. ГщрМм»ивоо«д»«ьв Пармтры tmeu Парами»

97. Сетка noY(n>tl (только дяайчст.гти*«с*ого pe*wv«J1 • Нншьнм коосшюта маремм* мщ

98. Конечная коордоага лостроагня зоны ойнрщмп

99. Коянвстн шк на деермлв ш кагорык стршгсА а1. Ста noX КМ) I 'cmWfr* Iй» Г5*"0 | 30 | 1

100. Вероятность ложной тревоп* тупость целы (РаЛУЧЩ 11 Зк»е роя, пели(м) i1 ^1е-в

101. Расечат зон обнарцжалп Активиьй реааа*1. Постровине графиков1. Для акгиянйго релогмок

102. Г Построить гре^мрспгжкти |по craptura гргян»отношена оамал/помаы}

103. Полагаем что данные программные комплексы целесообразно использовать и в дальнейшем при тестировании программного обеспечения ГАК, оценки эффективности и поиска оптимального облика на стадии проектирования ГАК.

104. Также созданный научно технических задел возможно использовать при разработке тренажера.