Имитатор полей сигналов и помех на выходе приемных элементов гидроакустической антенны в цифровом виде и программный комплекс расчета зон обнаружения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Скрипник, Андрей Геннадьевич

• Скрипник, Андрей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Скрипник, Андрей Геннадьевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Имитатор полей сигналов и помех на выходе приемных элементов гидроакустической антенны в цифровом виде и программный комплекс расчета зон обнаружения»

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 диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Скрипник, Андрей Геннадьевич

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».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Скрипник, Андрей Геннадьевич, 2004 год

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.