автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.06, диссертация на тему:Модель принятия решения об обнаружении технического объекта по результатам обработки информации многоканальной пассивной гидроакустической системой

На правах рукописи

Стороженко Дмитрий Викторович

МОДЕЛЬ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ОБ ОБНАРУЖЕНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ПАССИВНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

05.08.06 - Физические поля корабля, океана, атмосферы и их взаимодействие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток 2013

28 НОЯ гон

005541210

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Владивостокский государственный университет экономики и сервиса

Научный руководитель: Номоконова Наталья Николаевна доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Кишит Николай Владимирович - доктор технических наук, профессор, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, главный научный сотрудник Лаборатории технической диагностики

Мазуров Александр Федорович - кандидат технических наук, доцент, Дальневосточное отделение Секции прикладных проблем при Президиуме РАН, ведущий научный сотрудник

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Дальприбор», г. Владивосток

Защита состоится 26 декабря 2013 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д.212.056.17 при ФГАОУ ВПО «Дальневосточный федеральный университет» по адресу:

690922, г. Владивосток, о. Русский, б. Аякс-10, корп. 24, 10 этаж, зал заседаний диссертационных советов.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ДВФУ по адресу: 690600, г. Владивосток, ул. Алеутская, 65 б.

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайте ВАК и официальном сайте ДВФУ.

Автореферат разослан «/У» ноября 2013 г.

Ученый секретарь у'/// „

диссертационного совета, Андрей Юрьевич Фершалов, кандидат технических наук /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Работа посвящена актуальной проблеме обнаружения подводных технических объектов средствами гидроакустики, решение которой привлекает внимание исследователей уже много лет. В настоящее время данная проблема успешно решается средствами активно-пассивной гидролокации, однако остаются задачи, в которых по ряду тактических и экономических причин применение активной гидролокации затруднено и доступно лишь их решение с помощью средств пассивной гидролокации. Однако постоянная изменчивость параметров морской среды, увеличение фоновых шумов вследствие человеческой деятельности, а также регулярный комплекс мероприятий по повышению скрытности подводных технических объектов (ТО) постоянно снижают эффективность существующих систем пассивной гидролокации. Поэтому развитие систем обнаружения ТО является актуальной задачей.

Одним из способов эффективного обнаружения средствами пассивной гидролокации ТО является применение новых алгоритмов обработки информации о физических полях подводных объектов, поступающей от распределенных в акватории измерительных приборов, и способных решать задачу обнаружения в условиях неполноты сведений о параметрах шумового процесса, а также ограничения в сложности алгоритма и времени накопления сигнала. Именно этому способу решения проблемы посвящена данная работа.

В качестве способа исследования выбран метод моделирования процесса обработки гидроакустического сигнала. Программная модель реализовывалась в программной среде МАТЬАВ, включающей достаточный для исследования набор библиотек для цифровой обработки сигнала, проектирования нечетких систем, статистического анализа и методов оптимизации.

Цель и задачи. Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная проверка способа обнаружения движущихся подводных технических объектов многоканальной системой с применением дрейфующих пространственно-распределенных измерительных приборов (далее ДПРГИП) в морской среде на базе использования математического аппарата нечеткой логики и методов стандартной цифровой обработки сигнала.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих алгоритмов обработки сигнала и систем принятия решений с целью определения возможности их модификации и внедрения в бортовые вычислительные комплексы малой производительности.

2. Выбрана программная среда МАТЬАВ для реализации алгоритма принятия решений об обнаружении ТО.

3. Сформирован критерий оценки первичного гидроакустического поля подводного ТО.

4. Разработан подход к выбору «нечеткого порога».

5. Сформулировано определение «нечеткий порог».

Методология и методы исследования базируются на применении математического аппарата нечеткой логики, теории вероятности, методах цифровой обработки сигналов, математической статистики и элементов теории звукового поля в океане. Научная новизна работы

Результаты работы создают методологическую базу, значительно расширяющую возможности обнаружения ТО в морской среде - разработан новый способ обнаружения подводных технических объектов для малопроизводительной многоканальной системы с дрейфующими пространственно-распределенными гидроакустическими измерительными приборами, отличающийся следующими характеристиками:

» Низкой ресурсоёмкостью алгоритма для реализации в бортовой

малопроизводительной вычислительной среде, в Результат принятия решения может быть выражен в трех состояниях:

присутствие, отсутствие и неопределенность. ® Возможностью корректировки параметров решающих правил оператором следящей системы.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Способ принятия решения об обнаружении ТО в условиях неполноты сведений о параметрах среды и помех.

2. Модель представления решения об обнаружении ТО в нечеткой форме.

3. Способ повышения характеристик многоканальной системы обнаружения движущихся подводных ТО на основе применения многокритериальной оценки измеренного первичного гидроакустического поля.

4. Экспериментальная реализация модели обработки сигналов и обнаружения ТО в программной среде МЛТЬЛВ.

Практическая ценность работы заключается в разработке и реализации программной модели устройства принятия решения об обнаружении ТО. Использование предлагаемых алгоритмов позволяет повысить характеристики многоканальной системы обнаружения с ДПРГИП.

Для реализации модели были разработаны дополнительные программные модули с графическим интерфейсом:

- модуль генерации тестового шума;

- модуль предварительной обработки реальных данных в виде звуковых несжатых файлов большой длительности (более 60 минут);

- модуль генерации модели нечеткого принятия решений;

- модуль демонстрации применения в системе с ДПРГИП;

- модуль графической индикации оператора. Реализация основных результатов диссертации

Диссертация выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Владивостокского государственного университета экономики и сервиса (ВГУЭС 2007-2013г.г.).

Документы, подтверждающие внедрение результатов исследований и разработок приведены в приложении к диссертации.

Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы были представлены на конференциях: международных:

в научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых исследователей «Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР», (Владивосток, 2007, 2008, 2009, 2010,2011,2013 г.г.);

в конференции «Молодежь - наука - инновации» МГУ им. адм. Невельского (Владивосток, 2007, 2008 г.г.); ® электронных:

о Новые информационные технологии и системы, 2007г.; в Современные наукоемкие технологии 2008г.;

о Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники 2008 г.; а Развитие научного потенциала 2012 г.

Публикация результатов работы. Автором опубликовано восемнадцать работ по теме диссертации, в том числе три работы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, основной части, заключения, списка литературы, содержащего 110 наименований, приложений. Объем работы 125 страниц, в том числе 6 таблиц и 40 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность направления исследований, формулируются цель и задачи работы, рассматривается научная и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведены физические свойства морской среды, и помеховые условия, влияющие на процесс обнаружения ТО, обзор существующих подходов с математической точки зрения к решению задачи обнаружения пассивными гидроакустическими средствами. Дана постановка задачи обнаружения первичного гидроакустического поля подводного технического объекта многоканальной системой с дрейфующими пространственно-распределенными измерительными приборами. Делается вывод о целесообразности применения математического аппарата нечеткой логики для решения задачи обнаружения первичных гидроакустических полей ТО.

Описываются начальные условия задачи обнаружения и реализации в малопроизводительной вычислительной среде в многоканальной системе пассивной гидролокации с применением дрейфующих пространственно-

распределенных гидроакустических измерительных приборов. Изначальные условия решения задачи обнаружения ТО следующие:

1. Считать, что вблизи от прослушиваемой акватории отсутствуют надводные корабли.

2. Многоканальная система обнаружения с ДПРГИП одновременно использует до шестнадцати измерительных приборов с ненаправленными гидрофонами.

3. Максимальная длительность работы измерительных приборов не превышает четырех часов.

4. Все измерительные приборы используют радиоканал для передачи информации в вычислительный центр.

5. Вычислительный центр находится на борту воздушного судна и имеет низкую вычислительную мощность.

6. Прослушиваемый частотный диапазон от 10 до 1000 Гц.

7. Данные поступают от измерительных приборов в режиме реального времени.

8. Максимальный объем накопления информации составляет 512 кБ на 1 канал.

Обосновывается программная модель обработки гидроакустического сигнала, ее параметры: частотный диапазон, время усреднения, функция распределения амплитуд помехи, закон изменения амплитуды сигнала с расстоянием.

За основу принят цилиндрический закон изменения ГА энергии от расстояния, так как реальная среда имеет границы волновода: поверхность и дно. В реальных условиях реальный волновод искажает эту закономерность, под воздействием следующих факторов:

• Многолучевость из-за явления рефракции.

• Наличие отраженных нестационарных границ среды. Например, волнение моря и переменные свойства дна по трассе распространения.

• Интерференционные эффекты в связи с взаимным влиянием многолучевости и границ волновода.

В наибольшей степени это воздействие проявляется при значительных удалениях источника сигнала от гидроакустического измерителя. Условной границей существенного влияния данных факторов можно считать границу первой зоны освещенности, которая в свою очередь определяется отражением лучей поверхностью и дном. Дальность действия рассматриваемой в работе системы с ДПРГИП, как и ее аналоги, ограничивается первой зоной освещенности. Данное ограничение связано с отрицательным соотношением сигнал/шум собственных шумоизлучений объектов поиска. Существуют системы обнаружения ТО, дальность действия которых превышает дальность первой зоны за счет работы в низкочастотных (НЧ) и ультранизкочастотных (УНЧ) диапазонах. В этих частотных диапазонах особенности волновода

незначительны, т.к. длина волны превышает ширину волновода. Влияние среды на работу способа вынесено за рамки исследования.

Обнаружение сигналов ТО происходит на фоне значительных шумов окружающей среды, к которым относятся:

- шумы метеорологического происхождения (ветер, волнение поверхности, прибой, дождь, торошение льда);

- шумы удаленного судоходства, ежегодно возрастающие;

- шумы близких надводных кораблей, в основном в среднечастотной полосе спектра;

- шумы сейсмологического происхождения;

- гидробионты и активные излучатели.

Шумы подводного объекта поиска характеризуются следующими факторами:

1. Концентрация основной энергии широкополосной составляющей лежит в диапазоне 30 - 900 Гц.

2. Дискретные составляющие ниже 30 Гц.

3. Крайне малое (менее 0 дБ) превышение собственного шума над окружающим шумом.

4. Медленное изменение во времени в связи с малыми скоростями перемещения относительно измерительного прибора.

На основании источников по теме шумности подводных объектов, а также экспертным заключениям, полученным в ходе работы, частотный диапазон 350-600 Гц, в котором сигнал ТО характеризуется равномерностью спектра, близким к окрашенному белому шуму. Помеха в данном диапазоне также имеет равномерное распределение энергии по частоте.

Далее подробно описываются особенности физических полей океана, влияющие на процесс обнаружения ТО, такие как явление рефракции, спектр шумов моря, изменчивость скорости звука, закон затухания в зависимости от частоты.

В главе приводится обзор существующих подходов к обнаружению сигналов. В классической радиостатистике достаточно подробно изучены случаи, когда известны или хотя бы стационарны модели шумов или модель сигнала. Подробно рассматриваются как статистические подходы: корреляционный анализ или отношение правдоподобия, так и современные нейросетевой и нечеткий.

Фактически выбор в пользу того или иного математического аппарата делается исходя из степени доступности имеющихся сведений: точная форма искомого сигнала ТО (корреляционный), стационарность (или известная закономерность флуктуаций) помехи (отношение правдоподобия), множество специальным образом подготовленных пар входного сигнала и принятого решения на выходе (нейросетевой, многоканальный статистический), границ разброса параметров известным опытным операторам или экспертам (нечеткая логика).

Для решения задачи обнаружения объекта по шумовому акустическому излучению в условиях значительной неопределенности параметров среды,

непредсказуемости поведения объекта, неизвестной формы сигнала ТО, бортовой вычислительной системой малой производительности, и ограниченного количества реальных данных в реализации устройства принятия решений целесообразно применить аппарат нечеткой логики.

Вторая глава посвящена выбору программной среды моделирования и описанию материала по теории нечетких множеств и технологий нечеткого вывода. Выбирается наиболее подходящий тип базы правил, исходя из условий задачи обнаружения.

Еще в 1993 году доказана теорема (Fuzzy Approximation Theorem) о нечеткой аппроксимации, согласно которой любая математическая система может быть аппроксимирована системой на нечеткой логике с помощью естественно-языковых высказываний <Если — то> и последующей формализации средствами теории нечетких множеств. Ключевые достоинства данного математического аппарата - это прозрачность и понятность эвристической системы правил, возможность гибкого добавления дополнительных критериев анализа сигнала, получаемого на выходе после первичной обработки; а также допустимость к частичной неопределенности параметров оценивания. Это позволило выбрать данный математический аппарат как основной для принятия решения об обнаружении ТО.

Нечеткая база правил представлена в виде:

к.

J

U

п

P=1U = 1

f] х. = a., ip свесом w. 1 1 i i jp

—>У = dj,j = 1 ,т

Нечеткий логический вывод:

Г \ ^

У ' ' л

У = agg_ j = 1 ,т

Jmin

"d

/У

\ ] J J J

Для реализации вычислительного эксперимента необходима программная среда. Выбор сделан в пользу программного пакета МАТЬАВ, основные преимущества которого - это открытость исходного кода, доступные средства программирования и создания графического интерфейса пользователя; оптимизированные и апробированные готовые функции из множества различных теоретических разделов, что значительно сокращает время разработки алгоритмов для прикладных задач. Существует возможность создания независимого приложения, путем экспорта алгоритмов из «.т» файлов МАТЬАВ в язык Си.

Приводится обзор библиотек и основных известных функций, применяемых в исследовании, таких как:

о функции цифровой обработки сигналов; о методы статистической обработки; » методы корреляционного анализа;

в модуль аппарата генерации нечетких и нейро-нечетких систем;

о модуль генерации и исследования характеристик нейронных сетей различных типов;

• функции генерации случайных величин с задаваемыми параметрами;

в функции двумерного и трехмерного графического отображения данных;

Вывод по второй главе: программная среда МАТЬАВ является предпочтительной и достаточной для моделирования процесса обработки информации о физических полях подводных технических объектов. Математический аппарат нечеткой логики удовлетворяет условиям решения задачи и его реализация возможна в бортовой вычислительной среде многоканальной системы обнаружения.

В третьей главе описывается модель принятия нечеткого решения об обнаружении ТО и её программная реализация с графическим интерфейсом в комплексе с дополнительными модулями обработки сигнала.

В начале главы описывается дополнительный модуль первичной обработки сигнала для импорта реальных акустических сигналов, сохранных в формате «,\уау». Данный модуль предназначен для проверки результатов исследования на реальных данных акустических измерений первичного гидроакустического поля движущегося подводного ТО. Необходимость в создании дополнительного модуля импорта обусловлена спецификой программной среды и большим объемом (от 30 мин.) звуковых файлов, поскольку для импорта файла при помощи стандартной функции ууаугеас1() вычислительных ресурсов довольно производительной ПЭВМ (четырехядерный процессор 2,6 ГГц, 4 Гб ОЗУ) недостаточно.

Ниже (рис. 1) представлен алгоритм типовой первичной спектральной обработки гидроакустического сигнала.

Амплитуда

Энергия

Энергия

Усредненное_

значение энергии у(г)=4.00

Частота

11*. 11

Частота

Рис.1 Основные этапы первичной обработки сигнала с иллюстрацией промежуточных данных

1) Во входной буфер БПФ функции поступает отсчетов акустического сигнала с датчика.

2) На выходе БПФ функции массив спектральной плотности мощности сигнала.

3) Выбирается наиболее информативный участок спектра, и производится усреднение энергии в выбранной полосе частот.

4) Полученный результат усреднения поступает на вход нечеткого обнаружителя для дальнейшего анализа в виде числового значения усредненной энергии в ^й момент времени (такт).

При этом необходимо выбрать наиболее информативный участок спектра, где изменение энергии от расстояния было бы максимальным. В данном программном модуле предусмотрен выбор пользователем частотного диапазона усреднения, объем буфера быстрого преобразования Фурье (далее БПФ), процент перекрытия входной выборки.

Далее описывается выбор информативного параметра анализа. В общем случае типовой процесс обнаружения состоит из следующих этапов:

1. предварительная обработка входных данных;

2. выделение информативного признака;

3. сравнение значения выделенного признака с заранее установленным порогом, в результате чего принимается решение об обнаружении.

Для принятия решений в пассивной гидролокации могут быть использованы следующие признаки:

• коэффициент корреляции входного сигнала с заранее известным сигналом;

• наличие определенных дискретных составляющих, источником которых являются подвижные механизмы и бортовая аппаратура ТО;

в уровень энергии входного сигнала в заданной полосе частот;

в отношение правдоподобия входного сигнала с известным шумом.

Большинство систем обнаружения анализируют один единственный признак. Применение математического аппарата нечеткой логики позволяет спроектировать устройство принятия решения, использующее несколько признаков.

В качестве информативного признака для анализа системы принятия решения выбран уровень гидроакустической энергии ТО, поскольку этот признак является универсальным, так как появление объекта неизбежно вызывает прирост акустической энергии в точке приема.

Для исследования порогового устройства модель сигнала (рис. 2), подаваемого на вход устройства нечеткого принятия решения, состоит из аддитивной смеси стационарного рэлеевского шума п(г) с единичной дисперсией и оконной функции Хэмминга х(г), принятой за изменение энергии в зависимости от расстояния от объекта до датчика:

>•(0 = + л(/); где / — номер такта наблюдения (1)

y(t), 2

норм

1.5 1

0.5

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1

Рис. 2 Модель ГА сигнала ТО движущегося относительно измерительного прибора

Следует учитывать, что моделированный сигнал отличается от реального наличием дополнительных искажений, связанных с особенностями физических полей Океана. При этом точные границы разброса параметров этих искажений достоверно точно неизвестны, из-за априорной неопределенности гидрофизических параметров.

Дополнительным признаком (рис. 3) для оценки энергии сигнала выбран показатель плавного изменения энергии y(t) во времени, который рассчитывается по формуле:

1 1 &V

d(t)= — J -¥-dt, где размер окна усреднения производных (2)

N1-N

ар) 2 i

о -1 -2

О 200 400 BOO 800 1000 1200 1400 1600

Такт, сек t

Рис. 3 Диаграмма значений дополнительного признака d(t), при №=10

Данный показатель, являясь производной от y(t), характеризует среднюю скорость изменения акустической энергии за определенный временной интервал N. Предполагается, что постоянное возрастание (убывание) энергии свидетельствует о наличии не случайного процесса, и, наоборот, отсутствие изменений энергии понижает достоверность присутствия ТО в акватории.

В третьем параграфе описывается модуль, реализующий способ нечеткого принятия решений на основе анализа двух информативных признаков, описанных в предыдущем разделе. Схема включения системы нечеткого принятия решения в многоканальной системе с ДПРГИП показана на рисунке 4.

В системе пассивной гидролокации с ДПРГИП измерительный прибор транслирует акустический шум в диапазоне частот до 11 кГц в режиме реального времени по радиоканалу.

Принимаемый сигнал предварительно оцифровывается, обрабатывается стандартными методами цифровой обработки сигналов (ЦОС) с изменяемыми параметрами от устройства управления (УЦОС). Типовая первичная обработка заключается в вычислении энергии сигнала в заданной полосе частот с определенным усреднением. В программной модели для данного этапа используется функция вычисления спектральной плотности мощности р$с1(). Вторичная обработка сигнала (ВтОС) вычисляет среднее значение энергии в заданной полосе частот (рис.1).

Рис.4 Схема включения нечеткого обнаружителя в многоканальной системе с ДПРГИП 12

Нечеткий обнаружитель (НО) оперирует входными переменными «Е» и «БШ», в которые передаются значения информативных признаков у (г) и ¿¡р) соответственно.

На рисунке 56 показана нечеткая входная переменная «Е», термы которой {«низкий», «средний», «высокий») представляют собой нечеткие множества с треугольной или трапециидальной функциями принадлежности.

Треугольная функция принадлежности задается аналитическим выражением:

fi(u) =

л

О, и < а или и>с и - а Ъ-а с-и ус — Ь

-, а <и<Ъ i

i ,

-,Ь<и<с

у

где [а,с] - носитель нечеткого множества, Ъ - координата максимума

Трапециевидная функция принадлежности задается аналитическим

выражением:

р(и) =

(0, и < а или d | и-а Ъ-а

1, Ь<и<с d-u

а <u<b

\d-с

, с<и <d

где [а,с[\ - носитель нечеткого множества, [Ь,с] - ядро нечеткого множества.

Д-"низки;7, sup04,) = [0,0.6], А2 -"средний", sup(2,) = [0.6,0.95], А3-"высокий", sup(2,) = [0.8,10],

[a, rf] = [0,0.6], [6,с] = [0,0.35] [а, с] = [0.6,0.95], b = 0,075 [a,d] — [0.8,10], [6,с] = [1.05,10]

Ha рисиунке 5в показана нечеткая входная переменная «DIF» с одним термом «около 0».

В-"около0", sup(S) = [-0.004,0.004], [а,с] = [-0.004,0.04], Ь = 0

На рисунке 5 а показана нечеткая выходная переменная «OUT» с тремя термами «шум», «неопределенность» и «наличие».

С,-"шум", sup (С,) =[0,0.4], [а, с] = [0,0.4], Ъ = 0

С2-"неопределенность'', sup(C2) = [0.2,0.8], [а,с] = [0.2,0.8], 6 = 0.5

С3 -"наличие ТО', sup(C3) = [0.6,1], [а,с] = [0.8,1], 6 = 1

Были выбраны треугольные функции принадлежности, для простоты восприятия экспертом.

Рис. 5 Нечеткие переменные НО: а) выходная переменная степень присутствия OUT; б) входная переменная энергия Е; в) входная переменная

производные DIF

Ниже представлен набор нечетких правил Мамдани с весовыми коэффициентами:

1) Если Е низкое и DIF равно около 0, то OUT есть шум wi=l;

2) Если Е среднее и DIF не равно около 0, то OUT есть наличие ТО W2=l;

3) Если Е среднее и DIF равно около 0, то OUT есть неопределенность \v3=0,6;

4) Если Е высокое и DIF равно около 0, то OUT есть наличие ТО w4=0,7;

5) Если Е высокое и DIF не равно около 0, то OUT есть наличие ТО Ws=l;

6) Если Е низкое, то OUT есть шум W6=l.

Весовые коэффициенты wrw6 правил обозначают уверенность эксперта в истинности конкретного правила. Например, правило №4 имеет весовой коэффициент w4=0.7, что означает истинность данного правила в 70%. Данное свойство нечетких систем обеспечивает дополнительную гибкость в разработке решающей системы. Например, наличие в наборе противоречивых правил не приводит к сбоям системы, а лишь снижают достоверность результата.

Данные правила составляются экспертом на основе накопленного опыта, и в процессе эксплуатации системы могут корректироваться, исходя из заданных параметров гидросреды и особенностей объекта обнаружения.

Рисунок 6 иллюстрирует алгоритм нечеткого вывода Мамдани для каждого такта t в соответствии с заданной базой из шести нечетких правил.

Е = 1.74

ОР = 0.00232

ОиТ = 0.64

Г \

г \

/

/

\

0 4

-0.015

\

\

\

\У

\

0.015

О 1

Рис. 6 Иллюстрация нечеткого логического вывода

В четвертом параграфе описывается вычислительный эксперимент сравнения нечеткого и порогового обнаружителей. На вход порогового и нечеткого обнаружителей подавались сигналы у(і) с различным соотношением сигнал/шум, которые генерировались следующим выражением (рис.7):

тах(л:(г)) тах(л(/)) где а - соотношение сигнал/шум, х(і) - оконная функция Хэмминга,

№ 2 1.5 1

0.5 -

, , І! 'I

'"О '' . ■

■ І ! . ,:" 1 ¡її !

М( і

.а=1

ШітІ

200 400 600 800 1000 1 200 1400 1600

Рис. 7 Диаграммы входного сигнала акустической энергии у(г) с различным соотношением сигнал/шум

Решающее правило порогового обнаружителя (далее ПО):

f v(f) < Ь => 0 ,

OUT =\ , где b— порог оонаружения

■

Выбор порога на практике обусловлен заданными значениями вероятности ложной тревоги и вероятности правильного обнаружения. В данном вычислительном эксперименте использовались следующие уровни: ПО: Ъпо=1,05

НО: точка максимума для терма «высокий» Ь3=Ьпо; точка максимума для терма «низкий» bi=bnc/3; точка максимума для терма «средний» b2=bi + (b3 - b])/2 Результаты вычислительного эксперимента и сравнения с пороговым обнаружителем представлены на рисунке 8. В верхней диаграмме входные значения акустической энергии y(t), на остальных - результаты принятия решения пороговым и нечетким обнаружителем (соответственно OUTno и OUTHO), область значений НО изменяется от 0 до 1, в то время как ПО выдает бинарные значения 0 или 1.

YlV

1.5

0 5

оир

ПО 0.8 0.6 0.4 0.2 0

OUT1

НО 0 8 0 6 0.4 0 2 0

0 200 400 Є00 800 1000 1200 1400 1600

Такт, сек Г

Рис. 8 Диаграммы входного сигнала y(t), обнаружения сигнала пороговым и нечетким обнаружителем при различном а=0.3 и а=0.7

Для определения количественных характеристик обнаружения НО в литературе отсутствуют методики, аналогичные оцениванию порогового обнаружителя. Поэтому в исследовании предлагается оценить количественную характеристику по новому критерию, определяемому как

16

отношение интеграла значений на выходе обнаружителя к интегралу входного сигнала:

]oUTmdt ¡OUTHOdt

Л — í_ • J — ¿_

П° ~ Г / N Г ' НО ~ Г , Ч ,

\y(f)dt

На рисунке 9 приведены результаты сравнения обнаружителей при различных значениях сигнал/шум. Пунктирной линией обозначен параметр Ано; сплошной АПо-

Ано. д Ano

O.B 0 6 О 4 С.2

Рис. 9 Диаграмма сравнения Ано с Апо при различных соотношениях

сигнал/шум

Из рисунка следует, что способ принятия решения об обнаружении первичного гидроакустического поля на основе нечеткой логики дает преимущество перед пороговым методом при отношении сигнал/шум до 1,5 раз. При отношении сигнал/шум более двух раз метод нечеткого обнаружения не имеет преимуществ перед методом пороговой оценки информативного параметра. При этом применение нечеткой логики дает результат менее чувствительный к неопределенности параметров естественных физических полей океана.

Для оценки вычислительных затрат алгоритма нечеткого обнаружения в программной среде MATLAB проведен сравнительный вычислительный эксперимент по длительности выполнения различных методов обнаружения. Для моделирования нейросетевого и корреляционного способов применялись стандартные библиотеки «neural network» и «timeseries», при этом объем данных для всех типов обнаружителей использовался идентичный. Результаты эксперимента отображены в таблице 1.

Таблица 1

Название метода Время выполнения, сек Длина массива входных данных, Байт

Пороговый 0,001 16000

Нечеткий 0,018 16000x2

Нейросетевой 0,075 16000x2

Взаимно-корреляционные вычисления 3,601 16000x2

- -

і -

о 05 1 15 2 25 3

Результаты эксперимента показали, что нечеткий способ обнаружения имеет преимущество в производительности перед нейросетевым и корреляционным.

Заключение

Выполненная диссертационная работа посвящена актуальной проблеме обнаружения подводных технических объектов средствами пассивной гидроакустики, одним из аспектов которой является создание новых алгоритмов обработки информации о физических полях подводных объектов, поступающей от распределенных в акватории измерительных приборов, и решающих задачу обнаружения ТО в условиях неполноты сведений о параметрах шумового процесса.

Основными научными и практическими результатами работы являются:

1. Проведенный анализ существующих алгоритмов обработки данных первичных гидроакустических полей и системы принятия решений с целью определения возможности их модификации и внедрения в бортовые вычислительные комплексы малой производительности.

2. Разработанный вывод о приоритетной целесообразности применения математического аппарата нечеткой логики для принятия решения об обнаружении ТО. За счет совокупного применения нескольких критериев оценки достигается лучшая стабильность в индикации обнаружения сигналов с низким (менее 6 дБ) отношением сигнал/шум.

3. Реализованная программная модель обнаружителя ТО на основе классических алгоритмов обработки сигналов и принятия решений с применением нечеткой логики, обладающая низкой вычислительной сложностью и низкой чувствительностью к нестационарной помеховой обстановке среды.

4. Разработанный способ повышения характеристик многоканальной системы обнаружения движущихся подводных ТО на основе применения многокритериальной оценки гидроакустического сигнала.

5. Реализованная экспериментальная модель обработки сигналов и обнаружения ТО в программной среде МАТЬАВ, в которой программный комплекс (с графическим интерфейсом) содержит следующие модули:

® модуль первичной обработки и вторичного анализа аппаратом нечеткой логики;

® демонстрационный модуль отображения текущей обстановки в акватории.

Полученные в диссертационной работе научные результаты в совокупности представляют собой теоретическое обобщение и решение научной задачи обнаружения подводных технических объектов новым способом многокритериальной оценки гидроакустического сигнала, решение которой имеет важное народнохозяйственное значение.

Публикации по теме диссертации

Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Стороженко, Д.В. Система нечетких выводов для задач пассивной гидроакустики /Д.В. Стороженко, А.Е. Бородин, H.H. Номоконова // Информатика и системы управления. — 2010. №4 (26) - С.75-81

2. Стороженко, Д.В. Применение методов нечеткого вывода в пассивной гидролокации /Д.В. Стороженко, H.H. Номоконова //Проектирование и технология электронных средств. - 2010. - №4. - С. 55-59.

3. Стороженко Д.В. Отображение двумерной нечеткой функции как способ индикации в системе пассивной гидролокации [Электронный ресурс] /Д.В. Стороженко, А.Е. Бородин, H.H. Номоконова // Современные проблемы науки и образования.-2013 - №>6.-Режим доступа: http://www.science-education.ru/l 13

Статьи в сборниках научных трудов, материалах конференций и других изданиях:

4. Стороженко, Д.В. Передача данных на большие расстояния с использованием современных технологий / Д.В. Стороженко, Р.П. Каражелясков // Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР: материалы IX межд. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей. -Владивосток: Изд-во ВГУЭС, 2007. - С.180-181.

5. Стороженко, Д.В. Технологии передачи данных по оптическим каналам в системах ответственного применения / Д.В. Стороженко, Р.П. Каражелясков // Молодежь - наука - инновации: труды 5 междунар. молодежной научно-техн. конф. — Владивосток: изд-во МГУ им. Невельского. - 2007 - С.60-61

6. Стороженко, Д.В. Применение оптоволоконной технологии передачи данных в системах ответственного применения / Д.В. Стороженко, H.H. Номоконова, Р.П. Каражелясков // Современные наукоемкие технологии. -2008г.- №2. -С. 121.

7. Стороженко, Д.В. Распознавание сигналов в системах с подвижными объектами / Д.В. Стороженко, А.Е. Бородин, H.H. Номоконова // Успехи современного естествознания. - 2008. - № 8. — С. 121.

8. Стороженко, Д.В. Нечеткие алгоритмы в системах обработки сигнала //Молодежь - наука - инновации: труды 56 междунар. молодежной научно-техн. конф. - Владивосток: изд-во МГУ им. Невельского. - 2008. — С.60

9. Стороженко, Д.В. Алгоритмы распознавания сигналов в системах с подвижными объектами / Д.В. Стороженко // Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР: материалы XI межд. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС. - 2008. - Книга 2. - С.75-76.

10. Стороженко, Д.В. Неопределенности в задачах гидроакустики / Д.В. Стороженко, А.Е. Бородин, H.H. Номоконова //Вестник ВГУЭС. Территория новых возможностей - 2009 - №1. - С. 129-131.

И. Стороженко, Д.В. Нечеткое моделирование в пассивной гидроакустике с применением пакета Matlab / Д.В. Стороженко // Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР: материалы XII межд. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС.- 2010,- С.60-61.

12. Стороженко, Д.В., Нечеткие алгоритмы в задачах гидроакустики / Номоконова H.H. //Современные наукоемкие технологии. ISSN 1812-1812-7320.-2008,- №9.- С.58-59.

13. Стороженко, Д.В. Применение нечеткой логики в задачах гидроакустики / Д.В. Стороженко //Интеллектуальный потенциал вузов - на развитие дальневосточного региона России: Матер. XI межд. очно-заочная науч.-практ. конф,- Владивосток: Изд-во ВГУЭС,- 2009,- С. 23-24.

14. Стороженко, Д.В. Нечеткое моделирование в пассивной гидроакустике/ Д.В. Стороженко //Интеллектуальный потенциал вузов - на развитие дальневосточного региона России: Матер. XIII межд. очно-заочная науч.-практ. конф. - Владивосток: Изд-во ВГУЭС. - 2011 — 1стр.

15. Стороженко Д.В. Модель обработки гидроакустического сигнала / Д.В. Стороженко //Интеллектуальный потенциал вузов - на развитие дальневосточного региона России: Матер. XIV межд. очно-заочная науч.-практ. конф. - 2012. - Книга 1- С. 77-78.

16. Стороженко, Д.В. Моделирование обработки гидроакустического сигнала в Matlab / Д.В. Стороженко, H.H. Номоконова //Международный журнал экспериментального образования. - 2012. - №4. Дата поступления 02.03.2012. - С.45-47.

17. Стороженко, Д.В. Алгоритм визуализации пространственного распределения различных функций / Д.В. Стороженко //Интеллектуальный потенциал вузов — на развитие дальневосточного региона России: Матер. XV межд. очно-заочная науч.-практ. конф.-Владивосток: Изд-во ВГУЭС,- 2013 — С.56.

18. Стороженко, Д.В. Отображение на карте результатов работы многоканального нечеткого обнаружителя пассивной гидролокации / Д.В. Стороженко, H.H. Номоконова // Вестник ВГУЭС. Территория новых возможностей-2013-№4 - 4стр.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат следующие научные и практические результаты: в работах [4,5,6] - анализ основных технологий передачи информации по оптическим каналам; в работах [7,10,12] - теоретическое обоснование применения аппарата нечеткой логики для решения задач гидроакустики; в работах [1,2,3, 16,18] -практические результаты применения нечетких моделей для обнаружения ТО.

Стороженко Дмитрий Викторович

МОДЕЛЬ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ОБ ОБНАРУЖЕНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ПАССИВНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ

СИСТЕМОЙ

05.08.06 - Физические поля корабля, океана, атмосферы и их взаимодействие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия на издательскую деятельность ИД № 03816 от 22.01.2001

Подписано в печать 18.11.2013 Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл. печ. л. Уч.-изд. л. Тираж 120 экз. Заказ /.£?/

Издательство Владивостокский государственный университет экономики и сервиса 690600, Владивосток, ул. Гоголя, 41 Отпечатано в типографии ВГУЭС 690600, Владивосток, ул. Державина, 57

Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Владивостокский государственный университет экономики и сервиса

На правах рукописи

04201453261

Стороженко Дмитрий Викторович

МОДЕЛЬ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ ОБ ОБНАРУЖЕНИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ МНОГОКАНАЛЬНОЙ ПАССИВНОЙ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ

05.08.06 - Физические поля корабля, океана, атмосферы и их взаимодействие

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Доктор технических наук, доцент Номоконова Н.Н.

Владивосток -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ......................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.....................................................................................10

1.1. Постановка задачи обнаружения технических объектов.................10

1.1.1. Дополнительные условия для бортовой реализации в многоканальной системе пассивной гидроакустики..........................................14

1.2. Особенности среды распространения сигнала.................................15

1.3. Обзор методов обнаружения сигнала................................................21

1.3.1. Энергетический метод.....................................................................21

1.3.2. Статистический метод отношения правдоподобия......................22

1.3.3. Корреляционный метод...................................................................23

1.3.4. Информационно-адаптивный метод..............................................25

1.3.5. Нейросетевой подход.......................................................................29

1.3.6. Нечеткий подход..............................................................................31

Выводы.............................................................................................................33

2. ОПИСАНИЕ ПРИМЕНЯЕМОГО МАТЕМАТИЧЕСКОГО АППАРАТА ......................................................................................................................36

2.1. Математический аппарат для задач обнаружения...........................36

2.1.1. Нечеткая логика для задач гидроакустики....................................37

2.1.2. Нечеткий логический вывод Мамдани..........................................48

2.1.3. Нечеткий логический вывод Сугено..............................................49

2.1.4. Выбор типа базы правил.................................................................51

2.1.5. Условия сохранения прозрачности базы правил..........................52

2.2. Выбор инструментария для программного моделирования принятия решения......................................................................................................54

2.2.1. Инструментарий цифровой обработки сигналов..........................59

2.2.2. Инструментарий для проектирования нечетких систем..............61

2.1.1. Средства оптимизации алгоритмов................................................65

2.2.3. Графический интерфейс пользователя и функции индикации ... 66

Выводы:................................................................................................................67

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ..........................69

3.1. Описание ДПРГИП или схема включения обнаружителя...............69

3.1.1. Схема включения в ДПРГИП.........................................................69

3.1.2. Описание программной модели и ее модулей.............................71

3.1.3. Модуль предварительной обработки.............................................73

3.1.4. Модуль генерации тестовых сигналов...........................................76

3.1.5. Решающий модуль нечеткой логики.............................................77

3.1.6. Модуль графической индикации....................................................81

3.1.7. Способ индикации энергетического информативного признака 82

3.2. Вычислительный эксперимент сравнения с ПО...............................88

3.2.1. Оценка вычислительных затрат.....................................................91

3.3= Эксперимент на модельных сгенерированных данных...................92

3.3.1. Описание эксперимента..................................................................92

3.3.2. К выбору нечеткого порога.............................................................94

3.3.3. Конфигурация нечеткого решающего блока................................96

Выводы.............................................................................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................99

Список сокращений и обозначений:...............................................................101

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................103

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..............................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..............................................................................................118

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..............................................................................................120

ПРИЛОЖЕНИЕ 4..............................................................................................124

ВВЕДЕНИЕ

Работа посвящена проблеме обнаружения подводных технических объектов (ТО) средствами пассивной гидроакустики. Основным аспектом данной проблемы является создание эффективных алгоритмов обнаружения в условиях нестационарности среды распространения сигнала и дополнительных ограничений к быстродействию вычислительной системы. Постоянная изменчивость параметров морской среды, увеличение фоновых шумов вследствие человеческой деятельности, а также комплекс мероприятий по повышению скрытности подводных объектов постоянно снижает эффективность существующих систем обнаружения, что ведет к росту требований к квалификации оператора системы. Поэтому развитие систем обнаружения подводных объектов является актуальной задачей.

Одним из путей эффективного обнаружения средствами пассивной гидролокации является применение новых алгоритмов, способных решать задачу обнаружения в условиях неполноты сведений о параметрах шумового процесса, а также ограничения в вычислительной мощности аппаратуры и времени накопления сигнала.

В работе моделирование проводилось для систем с применением дрейфующих пространственно-распределенных гидроакустических

измерительных приборов (ДПРГИП). В данных системах гидроакустический сигнал принимается распределенными в пространстве автономными радиогидробуями, в состав которых входит ненаправленный гидрофон, и транслируется ими по радиоканалу в режиме реального времени в центральный вычислительный блок. Бортовая реализация накладывает ограничение на вычислительную мощность аппаратуры, что при условии соблюдения режима реального времени затрудняет применение вычислительно-ёмких алгоритмов и снижает длительность накопления информации.

Проанализированы существующие подходы к разработке системы принятия решения об обнаружении: статистический метод отношения правдоподобия, корреляционный, нейросетевой, энергетический и нечеткий. Данные подходы реализуют решение задачи обнаружения исходя из комбинации степеней доступности следующих условий:

• экспертные оценки значений информативных признаков;

• точность сведений о параметрах шумового процесса;

• точность сведений о параметрах акустического портрета ТО;

• вычислительная мощность аппаратной базы;

• длительность накопления информации;

• наличие массивной базы обучающих данных;

Анализ практики успешного использования математического аппарата нечеткой логики во множестве схожих задач из других областей применения, для которых характерны неполнота сведений о текущем процессе и неопределенность, позволяет сделать вывод о применимости нечеткого подхода в пассивной гидролокации в качестве компромисса между вышеуказанными условиями. Особенностью данного подхода является «обеспечение толерантности результата вычислений по отношению к неточности и неопределенности обрабатываемых информационных объектов»[1].

В качестве способа исследования выбран метод моделирования процесса обработки гидроакустического сигнала. Программная модель реализовывалась в программной среде MATLAB, включающей достаточный для исследования набор библиотек для цифровой обработки сигнала, проектирования нечетких систем, статистического анализа и методов оптимизации.

Проблемой обнаружения технических объектов посвящены труды ведущих ученых: Агеева М.Н., Бурдинского И.Н., Тарасюка Ю.Ф., Тюрина A.M., Евтютова А.П., Урик Р., Бреховских JI.M. и др.

В последние годы значительный вклад в решение проблемы внесли такие ученые как, Нечаев Ю.И., Сиек Ю.Л., Рудинский A.B., в работах которых

предложен подход мягких вычислений в бортовых комплексах реального времени. Однако эти работы не могут быть в чистом виде применимы для решения задачи обнаружения в условиях априорной неопределенности о параметрах шумового процесса, так как в условиях соотношения сигнал/помеха менее 6 дБ не эффективно используется многоканальность ДПРГИП.

Цель и задачи. Целью диссертационной работы является разработка и экспериментальная проверка способа обнаружения движущихся подводных технических объектов многоканальной системой с применением дрейфующих пространственно-распределенных измерительных приборов (далее ДПРГИП) в морской среде на базе использования математического аппарата нечеткой логики и методов стандартной цифровой обработки сигнала.

Для достижения указанной цели в работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих алгоритмов обработки сигнала и систем принятия решений с целью определения возможности их модификации и внедрения в бортовые вычислительные комплексы малой производительности.

2. Выбрана программная среда МАТЬАВ для реализации алгоритма принятия решений об обнаружении ТО.

3. Сформирован критерий оценки первичного гидроакустического поля подводного ТО.

4. Разработан подход к выбору «нечеткого порога».

5. Сформулировано определение "нечеткий порог".

Методология и методы исследования базируются на применении математического аппарата нечеткой логики, теории вероятности, методах цифровой обработки сигналов, математической статистики и элементов теории звукового поля в океане.

Научная новизна работы

Результаты работы создают методологическую базу, значительно расширяющую возможности обнаружения ТО в морской среде - разработан

новый способ обнаружения подводных технических объектов для малопроизводительной многоканальной системы с дрейфующими пространственно-распределенными гидроакустическими измерительными приборами, отличающийся следующими характеристиками:

1. Низкой ресурсоёмкостью алгоритма для реализации в бортовой малопроизводительной вычислительной среде.

2. Результат принятия решения может быть выражен в трех состояниях: присутствие, отсутствие и неопределенность.

3. Возможностью корректировки параметров решающих правил оператором следящей системы.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Способ принятия решения об обнаружении ТО в условиях неполноты сведений о параметрах среды и помех.

2. Модель представления решения об обнаружении ТО в нечеткой форме.

3. Способ повышения характеристик многоканальной системы обнаружения движущихся подводных ТО на основе применения многокритериальной оценки измеренного первичного гидроакустического поля.

4. Экспериментальная реализация модели обработки сигналов и обнаружения ТО в программной среде МАТЬАВ.

Теоретическая значимость:

Предложен способ отображения в двумерном пространстве информативного признака в нечеткой форме.

Практическая значимость работы заключается в разработке и реализации программной модели устройства принятия решения об обнаружении ТО. Использование предлагаемых алгоритмов позволяет повысить характеристики многоканальной системы обнаружения с ДПРГИП.

Для реализации модели были разработаны дополнительные программные модули с графическим интерфейсом:

- модуль генерации тестового шума;

- модуль предварительной обработки реальных данных в виде звуковых несжатых файлов большой длительности (более 60 минут);

- модуль генерации модели нечеткого принятия решений;

- модуль демонстрации применения в системе с ДПРГИП;

- модуль графической индикации оператора. Реализация основных результатов диссертации

Диссертация выполнялась в соответствии с планами научно-исследовательских работ Владивостокского государственного университета экономики и сервиса (ВГУЭС 2007-2013г.г.).

Документы, подтверждающие внедрение результатов исследований и разработок приведены в приложении к диссертации.

Апробация результатов работы. Основные научные и практические результаты работы были представлены на конференциях: международных:

• научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых исследователей «Интеллектуальный потенциал вузов на развитие Дальневосточного региона России и стран АТР», (Владивосток, 2007, 2008, 2009, 2010,2011,2012,2013 г.г.);

• конференции «Молодежь - наука - инновации» МГУ им. адм. Невельского (Владивосток, 2007, 2008 г.г.);

электронных:

• Новые информационные технологии и системы, 2007г.;

• Современные наукоемкие технологии 2008г.;

• Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники 2008 г.;

• Развитие научного потенциала 2012 г.

1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВОДНЫХ

ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

1.1. Постановка задачи обнаружения технических объектов

В настоящее время проблема обнаружения подводных технических объектов в морской среде решается различными гидроакустическими комплексами, которые классифицируются как по способу использования энергии (активные или пассивные), так и по месту установки гидроакустических систем [2]. Объект исследования данной работы - типовая многопозиционная пассивная гидроакустическая система мобильного развертывания (рис 1.1), применяющая дрейфующие пространственно-распределенные гидроакустические измерительные приборы (ДГТРГИП). Измерительными приборами для данных систем служат радиогидроакустические буи (РГБ). Сброшенные в воду с летательного аппарата в предполагаемом районе поиска ТО, они в течение ограниченного времени измеряют гидростатическое давление, воздействующее на мембрану гидрофона, и передают информацию по радиоканалу в многоканальный бортовой центр приема, где уже далее идет обработка сигнала и принятие решения об обнаружении ТО.

Рис. 1.1 Типовая система с ДПРГИП мобильного развертывания

В работе данного гидроакустического комплекса одновременно могут применяться РГБ различных модификаций, которые классифицируются по виду измеряемых данных (магнитные, батитермические, акустические), по характеристике направленности и по полосе частотного диапазона гидрофонов.

Каждый вид РГБ необходим для решения конкретной задачи, которая определяется фазой операции поиска объекта.

Проблема комплексного обнаружения подводного ТО в морской среде с помощью информационных систем пассивных ГАС предполагает решение следующих задач [3]:

1. Обнаружение сигнала ТО в условиях действия изотропных и локальных помех морской среды.

2. Измерение координат и параметров движения цели.

3. Классификация объекта.

Повысить характеристики данной пассивной ГАС с применением ДПРГИП возможно путем усовершенствования способов решения этих задач.

Для качественно нового решения первой из перечисленных задач необходимо разработать модель обнаружения сигнала ТО, техническая реализация которой связана с соблюдением дополнительных требований. Необходимо учесть условия среды распространения сигнала, обозначить технические требования и выбрать наиболее подходящий математический аппарат для решающего модуля.

Выбор математического аппарата проектируемой системы принятия решений об обнаружении технического объекта требует учета всех факторов, а именно, физических, технологических и эксплуатационных. К физическим факторам относятся особенности среды распространения сигнала и характерные особенности шума самих подводных технических объектов. К технологическим -программно-аппаратная реализация, к эксплуатационным - качественные

показатели эффективности обнаружения и условия взаимодействия с оператором системы.

Начальные условия задачи обнаружения и реализации в малопроизводительной вычислительной среде в многоканальной системе пассивной гидролокации с применением дрейфующих пространственно-распределенных гидроакустических измерительных приборов следующие:

1. Считать, что вблизи от прослушиваемой акватории отсутствуют надводные

корабли.

2. Многоканальная система обнаружения с ДПРГИП одновременно использует до

шестнадцати измерительных приборов с ненаправленными гидрофонами.

3. Максимальная длительность работы измерительных приборов не превышает

четырех часов.

4. Все измерительные приборы используют радиоканал для передачи информации

в вычислительный центр.

5. Вычислительный центр находится на борту воздушного судна и имеет низкую

вычислительную производительность.

6. Прослушиваемый частотный диапазон гидроакустического фона от 5 до 5000

Гц.

7. Данные поступают от измерительных приборов в режиме реального времени.

8. Максимальный объем накопления информации составляет 512 кБ на 1 канал.

За основу закона затухания принят цилиндрический закон изменения ГА энергии от расстояния, так как реальная среда имеет границы волновода: поверхность и дно. В реальных условиях реальный волновод искажает эту закономерность, под воздействием следующих факторов:

• Мн�