Разработка методов и программно-алгоритмических средств апертурного синтеза гидроакустических антенн в пассивном режиме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Дашевский, Олег Юльевич

  • Дашевский, Олег Юльевич
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2011, Новосибирск
  • Специальность ВАК РФ05.13.18
  • Количество страниц 114
Дашевский, Олег Юльевич. Разработка методов и программно-алгоритмических средств апертурного синтеза гидроакустических антенн в пассивном режиме: дис. кандидат технических наук: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ. Новосибирск. 2011. 114 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дашевский, Олег Юльевич

Введение.

Глава 1. Обзор методов повышения разрешения в гидроакустике

1.1. Гидроакустика и гидроакустические системы

1.2. Гибкие протяженные буксируемые антенны и апертурный синтез

1.3. Активный и пассивный синтез апертуры

1.4. Буксируемая жесткая антенна.

1.5. Выводы.

Глава 2. Обзор известных методов синтезирования апертуры в гидроакустике.

2.1. Волновое уравнение в гидроакустике. Плоские волны.

2.2. Антенные решетки. Модель системы наблюдения

2.3. Формирование характеристики направленности

2.4. Метод Йена—Кэри.

2.5. Метод ЕТАМ.

2.6. Метод ЕЕТЭА

2.7. Метод МЕТАМ

2.8. Выводы.

Глава 3. Факторы, негативно влияющие на синтез апертуры

3.1. Критерии качества синтеза.

3.2. Итеративная компенсация рыскания платформы

Глава 4. Синтез апертуры в случае широполосных источников. Алгоритм ТЕТАМ.

4.1. Выбор отсчета

4.2. Многошаговый синтез.

4.3. Случай нескольких источников сигнала.

Глава 5. Программное моделирование синтеза апертуры

5.1. Введение

5.2. Программа ЭупАрр

5.3. Программная система Мос18упАрр

5.4. Моделирование

Глава 6. Экспериментальные исследования. Тестовые сигналы

6.1. Алгоритм ЕТАМ и усреднение.

6.2. Качество синтеза алгоритма ЕТАМ

6.3. Итеративная компенсация рыскания платформы

6.4. Алгоритм ТЕТАМ.

Глава 7. Экспериментальные исследования. Реальные сигналы

7.1. Используемые реальные данные и методы обработки

7.2. Пространственно-частотные спектры

7.3. Результаты обработки с помощью алгоритма ЕТАМ

7.4. Результаты обработки с помощью алгоритма ТЕТАМ

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.13.18 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и программно-алгоритмических средств апертурного синтеза гидроакустических антенн в пассивном режиме»

Актуальность работы

Апертурный синтез в гидролокации развивается в основном в направлении получения изображения дна с высоким разрешением, при этом используется активный режим антенны. Синтез апертуры для пассивного наблюдения источников на дальних расстояниях начал исследоваться только с конца 1980-х годов. В то же время известно, что в радиолокации синтезирование апертуры стало основным методом получения высокоразрешающих изображений подстилающей поверхности при съемке с летательных аппаратов. Причиной послужило то, что в случае летательного аппарата увеличение физического размера антенны для получения высокого разрешения крайне затруднено.

В гидролокации сложилась иная ситуация. Слабое, в сравнении с радиолокацией, развитие пассивного синтеза апертуры было обусловлено существенным различием в скорости распространения акустического сигнала в воде и радиосигнала в воздухе, а также сравнительно низкой скоростью перемещения антенны. Кроме того, имело место и следующее соображение: обеспечение высокого разрешения на дальних расстояниях в гидроакустике возможно с помощью гибких протяженных буксируемых антенн (ГПБА), применение которых является мощной альтернативой использованию синтезированной апертуры. Именно в сторону ГПБА были направлены основные силы исследователей и разработчиков.

Как следствие, несмотря на выгоды, которые может принести синтез апертуры в гидроакустике, развивалась эта тематика достаточно медленно, в основном, в теоретическом плане. Выгоды синтеза апертуры вытекают из недостатков ГПБА. Прежде всего, ГПБА трудно разместить на мобильных плавсредствах (гидросамолетах, быстроходных катерах и т.д.), в то же время быстрая доставка антенны в район обследования очень важна, в частности при антитеррористических (антипиратских) действиях, борьбе с контрабандистами и т. п. Существует проблема увеличения длины ГПБА при буксировке подводными лодками. Кроме того, ГПБА в силу своей гибкости в процессе буксировки изменяет форму, что требует решения дополнительной задачи по идентификации формы.

Таким образом, актуальность работы обусловлена потребностью в эффективных методах синтезирования апертуры в гидроакустике.

Цели диссертационной работы заключаются в анализе эффективности нескольких известных алгоритмов синтеза апертуры в пассивном режиме, их доработке, разработке и апробации новых методов.

Для достижения поставленных целей должны были быть решены следующие задачи:

1. Выработать единый критерий для оценки эффективности синтеза апертуры.

2. Разработать программно-алгоритмическую систему, позволяющую испытывать алгоритмы синтеза апертуры в равных условиях на тестовых (полученных для случая модельной помехосигнальной обстановки) и реальных сигналах.

3. Разработать метод компенсации некорректной оценки направлений на источники сигнала, возникающей вследствие отклонения платформы от прямолинейного курса, необходимого для синтеза апертуры.

4. Разработать метод синтеза апертуры для широкополосных сигналов.

5. Провести тестирование существующих и предложенных алгоритмов синтеза апертуры на тестовых и реальных сигналах.

Научная новизна

1. Разработан научно обоснованный критерий оценки качества синтезирования апертуры.

2. Предложен метод адаптивного уточнения характеристики направленности при наличии ошибок в определении курса платформы.

3. Предложен алгоритм синтеза апертуры для широкополосных сигналов во временной области.

Практическая значимость

1. Разработанный программно-алгоритмический комплекс SynApp позволяет обрабатывать реальные гидроакустические сигналы в режиме синтезированной и реальной апертуры, проводить сравнительный анализ эффективности различных алгоритмов.

2. Предложенный итеративный метод уточнения характеристики направленности позволяет применять алгоритм ETAM (Extended Towed Array Measurements), известный в литературе, при наличии отклонений курса платформы от прямолинейного для случая одного источника сигнала.

3. Созданный в рамках работы алгоритм ТЕТАМ (Time-Domain ETAM) позволяет осуществлять синтез апертуры для широкополосных сигналов во временной области, в том числе для нескольких источников с различными частотными характеристиками.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Программно-алгоритмический комплекс SynApp позволяет моделировать широкий спектр методов обработки гидроакустических сигналов, связанных с синтезированием апертуры.

2. Алгоритм ЕТАМ, известный в литературе, по сравнению с другими алгоритмами является наиболее эффективным для узкополосных сигналов, требуя минимум априорной информации.

3. Итеративный алгоритм, основанный на автофокусировке характеристики направленности, позволяет компенсировать искажения последней, возникающие в процессе синтеза апертуры с помощью алгоритма ЕТАМ в случае непрямолинейного движения платформы.

4. Алгоритм ТЕТАМ обеспечивает синтез апертуры во временной области при наличии нескольких источников сигнала с разными частотными характеристиками.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

VIII Международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2006, Санкт-Петербург, 29-31 мая 2006 г.; Научно-практическая конференция молодых ученых и студентов НГУ и ИАиЭ СО РАН «Информационно-вычислительные системы анализа и синтеза изображений», 19-20 сентября 2006 г., Новосибирск; 8th International Conference on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies — PRIA-8-2007 (Russia, Yoshkar-Ola, Oct. 8-12, 2007); IX Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2008, Санкт-Петербург, 27-29 мая 2008 г.; X Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2010, Санкт-Петербург, 25-27 мая 2010 г.; III Международная конференция «Автоматизация, управление и информационные технологии-2010» (Automation, Control, and Information Technology) — ACIT'2010. Новосибирск, 15-18 июня 2010 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей атестационной комиссией [14, 17, 18].

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Автором был предложен алгоритм компенсации искажений при непрямолинейном движении платформы, а также проведено теоретическое обоснование алгоритма ТЕТАМ, разработанного совместно с соавторами. Все представленные в диссертации результаты, связанные с разработкой программного обеспечения, проведением экспериментальных исследований и анализом их результатов, получены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 114 страниц, включая 33 рисунка и библиографию (79 наименований).

Похожие диссертационные работы по специальности «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», 05.13.18 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Дашевский, Олег Юльевич

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработан программно-алгоритмический комплекс ЭупАрр, позволяющий загружать реальные сигналы и моделировать тестовые сигналы произвольного количества монохроматических источников, синтезировать апертуру с использованием различных алгоритмов, строить характеристики направленности и сопоставлять результаты с помощью численных критериев.

2. Предложен научно обоснованный критерий оценки эффективности синтеза апертуры, основанный на сравнении трех характеристик направленности: синтезированной апертуры, реальной апертуры того же размера и укороченной реальной апертуры, на базе которой производится синтез, с использованием критерия качества ХН для случая одной цели.

3. На базе комплекса ЗупАрр проведены сравнительные исследования алгоритмов синтеза апертуры на тестовых и реальных сигналах. Для численной оценки результатов введена метрика качества пика — отношение максимума мощности ХН (пика, соответствующего направлению на источник сигнала) к полуширине пика на полувысоте.

На тестовых сигналах для значений ОСШ —5. 5 дБ при синтезировании апертуры вдвое большего размера относительно физической апертуры алгоритм ЕТАМ показал качество пика, сравнимое с качеством пика реальной апертуры того же размера. Аналогичный результат получен на реальных сигналах. Ошибка пеленга при синтезировании апертуры составляла не более 0,2°.

Установлено, что алгоритм ЕТАМ по сравнению с другими алгоритмами является наиболее эффективным для узкополосных сигналов и требует минимум априорной информации. Испытания алгоритма МЕТАМ на реальных сигналах не выявили его существенного преимущества перед алгоритмом ЕТАМ.

4. Предложен алгоритм итеративного уточнения характеристики направленности в случае непрямолинейного движения платформы, позволяющий компенсировать известные отклонения курса платформы для помехосигиаль-ной обстановки, состоящей из одного источника сигнала.

Испытания алгоритма на тестовых сигналах показали, что за 5 итераций достигается сходимость при критерии останова б = Ю-4. При этом качество пика возрастает более чем в 16 раз, а ошибка пеленга уменьшается с 2,60° до 0,04°.

5. Разработан алгоритм синтеза апертуры для широкополосных сигналов—алгоритм ТЕТАМ. Данный алгоритм позволяет осуществлять синтез при наличии нескольких источников сигнала с разными частотными характеристиками. Работоспособность алгоритма подтверждена испытаниями на тестовых и реальных сигналах.

Исследование алгоритма ТЕТАМ на реальных сигналах показало, что при уменьшении размера реальной апертуры в два раза и синтезировании апертуры с помощью алгоритма ТЕТАМ до исходного размера качество пика ХН в 2 раза больше, чем качество пика ХН вдвое уменьшенной апертуры, и составляет 84 % от качества пика ХН реальной апертуры.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дашевский, Олег Юльевич, 2011 год

1. Акустика в задачах. Учебное рук-во.: Для вузов /' А. Н. Бархатов, Н. В. Горская, A.A. Горюнов и др.; Под ред. С. Н. Гурбатова и О. В. Ру-денко. М.: Наука. Физматлит, 1996. 336 с.

2. Антенны с электрическим сканированием / Под ред. JI. Д. Бахраха. «Радиотехника», 2001.

3. Бородин В. И., Смирнов Г. Е., Толстякова H.A. Яковлев Г. В. Гидроакустические навигационные средства. JL: Судостроение, 1983.

4. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем.Пер. с англ. —Л.: Судостроение, 1988. 392 е.: ил.

5. Буренин Н.И. Радиолокационные станции с синтезированной антенной. М.: Сов. радио, 1972. 160 с.

6. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. / Пер. с англ. —М.: «Издательство Бином», СПб.: «Невский диалект», 1998 г. — 560 е., ил.

7. Бэггероуер А. Обработка сигналов в гидролокации (глава 6 сборника «Применение цифровой обработки сигналов»). М.: «Мир», 1980.

8. Ban Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том 1. М.: Сов.радио, 1972. 744 с.

9. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том 3. М.: Сов.радио, 1977. 664 с.

10. Гидроакустическая энциклопедия / Под общ. ред. В. И. Тимошенко. Таганрог: Издательство ТРТУ, 1999. 788 с.

11. Даджион Д., Мерсеро С. Цифровая обработка многомерных сигналов. М.: Мир, 1988. 488 е., ил.

12. Дашевский О.Ю., Нежевенко Е. С. Исследование влияния мешающих факторов на качество синтезирования апертуры в гидролокации // Автометрия. 2008. 44, № 2. С. 76-90.

13. Дашевский О. Ю. Моделирование обработки гидроакустических данных с антенн с синтезированной апертурой // XIV Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC-2008): сборник докладов, стр. 2027. Воронеж, 2008.

14. Дашевский О.Ю., Нежевенко Е. С. Сравнительный анализ методов синтезирования апертуры в гидроакустике // Труды IX Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2008. СПб.: Наука, 2008. С. 580-583.

15. Дашевский О.Ю., Нежевенко Е. С. Исследование эффективности программно-алгоритмических средств синтезирования апертуры в пассивной гидролокации на тестовых и реальных сигналах // Автометрия.2009. 45, № 5. С. 70-81.

16. Дашевский О.Ю., Нежевенко Е.С. Методы апертурного синтеза гидроакустических антенн в пассивном режиме и их испытание на тестовых и реальных сигналах // Фундаментальная и прикладная гидрофизика.2010. Т. 9. С. 72-85.

17. Джонсон Д. X. Применение методов спектрального оценивания к задачам определения угловых координат источников излучения // ТИИЭР, 1982, т. 70, № 9.

18. Дьяконов В. MATLAB 7. R2006/R2007. Самоучитель. Изд-во «ДМК», 2008. 768 с.

19. Караваев В. В., Сазонов В. В. Статистическая теория пассивной локации. М: Радио и связь, 1987. 240 е., ил.

20. Корякин Ю.А., Смирнов С. А., Яковлев Г. В. Корабельная гидроакустическая техника: состояние и актуальные проблемы. СПб.: Наука, 2004.

21. Левитан, Б.М. Почти-периодические функции, —М.: Гос. изд-во техн.-теорет. лит., 1953. —396 с.

22. Лепендин Л. Ф. Акустика: Учеб. пособие для втузов. М.: Высш. школа, 1978. 448 с.

23. Лоскутова Г. В., Полканов К. И. Пространственно-частотные и частотно-волновые методы описания и обработки гидроакустических полей. СПб.: Наука, 2007. 239 с.

24. Лутц М. Программирование на Python. Изд-во «Символ-плюс», 2002. 1136 с.

25. Макконнелл С. Совершенный код. Мастер-класс / Пер. с англ. — М.: Издательство «Русская Редакция»; СПб.: Питер, 2007.— 896 стр. : ил.

26. Марпл-мл. С. JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1990.

27. Милн П.Х. Гидроакустические системы позиционирования. Л.: Судостроение, 1989.

28. Морская радиоэлектроника: Справочник / Под ред. А. В. Кравченко. СПб.: Политехника, 2003. 246 е., ил.

29. Найт У. С., Придэм Р. Г., Кей С. М. Цифровая обработка сигналов в гидролокационных системах // ТИИЭР. Ноябрь 1981. 69, № 11. С. 84-155.

30. Нежевенко Е. С., Дашевский О.Ю. Реализация метода апертурного синтеза в пассивном режиме для ГАС с ГПБА // Труды X Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» ГА-2010. СПб.: Наука, 2010. Стр. 25-29.

31. Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы. М.: Мир, 1982.

32. Придэм Р. Г., Муччи Р. А. Цифровой интерполяционный метод формирования луча для низкочастотных и полосовых сигналов // ТИИЭР. Июнь 1979. Том 67. № 6. С. 29-47.

33. Применение цифровой обработки сигналов / Под ред. Э. Оппенгейма. М.: Мир, 1980. 552 с.

34. Рабинер JI., Гоулд В. Теория и практика цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. М.: Мир, 1978.

35. Самойлов Л. К. Электронное управление характеристиками направленности антенн. Л.: Судостроение, 1987. 280 с, ил.

36. Справочник по радиолокации. Т. 2. Радиолокационные антенные устройства / Под ред. М. Сколника. М.: Советское радио, 1977. Глава 8.

37. Справочник по радиолокации. Т. 3. Радиолокационные станции и системы / Под ред. М. Сколника. М.: Советское радио, 1979. Глава 5.

38. Урик Роберт Дж. Основы гидроакустики. JL: Судостроение, 1978. 448 с.

39. Харди Дж. Активная оптика // ТИИЭР. 1979. 66, № 6.

40. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. М.: Недра, 1987. 221 с.

41. Шифрин Я. С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Сов. радио, 1970.

42. Язык программирования Python, http: //python. ru

43. Autrey S.W. Passive Synthetic Arrays //J. Acoust. Soc. Am., Vol. 84, pp. 592-598, August 1988.

44. Bucker H. P. Beamforming a towed line array of unknown shape //J. Acoust. Soc. Am. 1978. 63. P. 1451.

45. Carey W. M., Moseley W. B. Space-time processing, environmental-acoustic effects // IEEE J. Oceanic Eng. 1991. 16. N 3. P. 285.

46. Dashevskii O.Yu., Nejevenko E. S. Adaptive yaw compensation for towed array with synthetic aperture // 8th International Conference on

47. Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies, PRIA-8-2007 (Russia, Yoshkar-Ola, October 8-12, 2007). Conference Proceedings, 2007, Vol. 1.

48. Dyer I. Statistics of Sound Propagation in the Ocean // J. Acoust. Soc. Am., 48, pp. 337-345 (1970).

49. Edelson G.S., Sullivan E.J. On the performance of the overlap-correlator synthetic-aperture technique //J. Acoust. Soc. Am. 90 (4). October 1991. P. 2000-2003.

50. Edelson G. S., Sullivan E.J. Limitations on the overlap-correlator method imposed by noise and signal characteristics // IEEE J. Oceanig Eng. 1992. Vol. 17. No. 1. P. 30-39.

51. Fortune S.A., Hayes M. P., Gough P. T. Contrast optimization of coherent images // Proc. of Oceans. 2003. 5. P. 2622.

52. Fossen T. I. Guidance and Control of Ocean Vehicles. John Wiley & Sons, 1994.

53. Kim S., Youn D.H., Lee C. Temporal domain processing for a synthetic aperture array // IEEE J. Oceanic Eng. 27 (2). April 2002. P. 322-327.

54. Kovaly J. Synthetic Aperture Radar. Dedha.ni, MA: Artech House, 1976.

55. Langtangen H. P. A Primer on Scientific Programming with Python. Springer, 2009. 693 p.

56. Lemon S. G. Towed-array history, 1917-2003 // IEEE J. Oceanic Eng. 2004.1. Vol. 29, N 2. P. 365-373.

57. Lasky M., Doolittle R. D., Simmons B.D., Lemon S.G. Recent progress in towed hydrophone array research // IEEE J. Oceanic Eng. 2004. Vol. 29, N 2. P. 374-387.

58. Owsley N. L. Discrete Space-Time Synthetic Aperture Formation. NUSC Tech. Memo No. 86-1013, July 1985.

59. Pinto M.A. High resolution seafloor imaging with synthetic aperture sonar // IEEE Oceanic Eng. Soc. Newsletter. Summer 2002. P. 15.

60. Sensors: Line Towed Arrays // IEEE J. Oceanic Eng. 18. Oct. 1993. Special Issue: «Sonar system technology».

61. Stergiopoulos S. Implementation of adaptive and synthetic aperture beamformers in sonar systems // Proc. IEEE. 1998. Vol. 86. N 2. P. 358.

62. Stergiopoulos S. Optimum bearing resolution for a moving towed array and extension of its physical aperture //J. Acoust. Soc. Am. Vol. 87 N 5. May 1990.

63. Stergiopoulos S., Sullivan E.J. Extended towed array processing by an overlap correlator //J. Acoust. Soc. Am. 86 (1). July 1989. P. 158-171.

64. Stergiopoulos S., Urban H. A new passive synthetic aperture technique for towed arrays // IEEE J. Oceanic Eng. 17 (1). January 1992.

65. Sullivan E.J. Passive Acoustic Synthetic Processing // IEEE Ocean. Eng. Soc. Newsletter, Winter 2003, pp. 21-24.

66. Sullivan E., Carey W., Stergiopoulos S. Editorial // IEEE, J. Oceanic Eng., 17 (1), 1992. pp. 1-7.

67. Summerfield M. Rapid GUI Programming with Python and Qt. Prentice Hall, 2008. 625 p.

68. Tosi S. Matplotlib for Python Developers. Packt Publishing, 2009. 308 p.

69. Van Veen B., Buckley K. Beamforming: a versatile approach to spatial filtering // IEEE ASSP Mag. April 1988. P. 4-24.

70. Williams R. E., Wei C.H. Spatial and Temporal Fluctuation of Acoustic Signals Propagated over Long Ocean Paths //J. Acoust. Soc. Am., 56, pp. 1299-1309 (1976).

71. Williams R.E., Wei C.H. The Correlation of Acoustic Wavefront and Signal Time-Base Instabilities in the Ocean // J. Acoust. Soc. Am., 59, pp. 1310-1316 (1976).

72. Williams R. E. Creating an acoustic synthetic aperture in the ocean // J. Acoust. Soc. Am. 60 (1). July 1976. P. 60-73.

73. Williams R., Harris B. Passive acoustic synthetic aperture processing techniques // IEEE J. Oceanic Eng., vol. 17, pp. 8-15, January 1992.

74. Yen N.-C., Carey W. Application of synthetic-aperture processing to fcowed-array data // J. Acoust. Soc. Am. 86 (2). August 1989. P. 754-765.

75. PyQt. http://www.riverbankcomputing.co.uk/software/pyqt

76. Python plotting, http://matplotlib.sourceforge.net

77. Scientific Tools for Python, http: //scipy. org

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.