Эскизная разработка гидролокатора бокового обзора

Ось Y показывает полученные интенсивности эхо-сигналов, нормированные на значения от 0 до 1. Центральная область с низкой интенсивностью эхо-сигналов соответствует слепой зоне, а первый значимый эхо-сигнал за пределами слепой зоны – первый нижний возврат.Формирование акустического изображенияПо мере движения ГБО собирается несколько полос засветки. Путем агрегирования полос засветки создается акустическое изображение. Самая простая форма построения акустического изображения состоит в том, чтобы соединить полосы засветки друг за другом. На рис. 3.1 (см.выше) показан пример такого типа изображений, где каждая интенсивность эхо-сигнала отображается на уровень градаций серого, так что более низкие интенсивности темнее. Изменения ширины черной полосы, которая является слепой зоной, отражают изменения высоты ГБО: чем выше высота, тем шире слепая зона.Поскольку слепая зона не содержит полезной информации об окружающей среде, но содержит шум и эхо, вызванные взвешенными частицами в воде, желательно обнаружить и удалить их. Это процесс удаления слепых зон. Хотя такого подхода может быть достаточно для осмотра человеком, он дает искаженное представление о реальном морском дне по двум причинам. Во-первых, он не принимает во внимание конкретное движение ГБО между рядами. Во-вторых, вертикальная ось представляет не земной диапазон, а наклонный диапазон. Решение первой проблемы включает в себя локализацию методами SLAM, а также использование методов интерполяции и смешивания для заполнения пробелов и объединения перекрывающихся полос засветки. Что касается второй проблемы, то правильное отображение наклонных участков на морское дно заключается в выполнении коррекции наклона.Коррекция полосы засветкиКоррекция интенсивностиНа рисунках 3.3 и 3.1 можно увидеть, что интенсивность эха намного выше в областях, окружающих слепую зону. Этот эффект возникает из-за неоднородного озвучивания, приводящего к колебаниям яркости получаемого акустического изображения, что может затруднить дальнейшую автоматическую обработку.Для коррекции этой проблемы в основном используют эвристики, зависящие от среды.Чтобы удалить переменную составляющую озвучивания из акустического изображения, моделируется морское дно как поверхность, которая равномерно рассеивает падающую энергию во всех направлениях. В этом предположении интенсивность эхо-сигнала Im(p), возвращаемая измерением ГБОm от точки морского дна p = (rs, θs), моделируется следующим образом:Im(p) =K∙ ϕ(p)∙Rm(p)∙cos(βm(p))где ϕ (p) обозначает интенсивность озвучивания, Rm (p) – коэффициент отражения морского дна, βm (p) – угол падения, который совпадает с углом скольжения θs в предположении плоского дна, K – нормировочная постоянная.В модель выведена интенсивность озвучивания на основе модели паттерна чувствительности. Соответственно, ϕ можно выразить следующим образом:где M – константа пропорциональности, J1– функция Бесселя первого вида порядка 1, λ и f – длина волны и частота излучаемого импульса соответственно, a – радиус преобразователя. Это уравнение учитывает два основных аспекта, которые изменяют воспринимаемую интенсивность в заданной точке морского дна: его угловое положение относительно акустической оси датчика и расстояние до источника датчика, которое связано с затуханием звука с пройденным расстоянием.Поскольку может быть достаточно сложно найти точное значение радиуса преобразователя a из технических характеристик датчика, предлагается следующая процедура. Пусть θ0 - первое встречающееся θs, дающее ϕ (.) = 0.Таким образом, θ0 определяет главный лепесток сонара: интенсивности озвучивания, соответствующие углам скольжения в интервале [θ0, 2θ – θ0], обусловлены главным лепестком сонара, а те, которые находятся за пределами интервала, создаются вторичными лепестками. Следовательно, значение θ0 может быть получено из предыдущего уравнения и выглядит следующим образом:Предположим, что все отверстие датчика α соответствует главному лепестку, что разумно, поскольку производители обычно строят датчики таким образом. Угол скольжения, соответствующий положительной границе озвученной области по раскрытию, равен θ - α / 2 (см. рис. 3.2). Таким образом, использование θ0 = θ - α / 2 в уравнении приводит к хорошему приближению радиуса преобразователя α:Согласно уравнению, измеренные интенсивности эхо-сигналов, то есть значения элементов разрешения в каждой полосе засветки, зависят от отражательной способности морского дна, интенсивности озвучивания и угла падения. Акустическое изображение, учитывающее только отражательную способность морского дна, будет более реалистичным представлением окружающей среды, поскольку оно не учитывает эффекты, связанные с самим датчиком. Поскольку у нас есть модель озвучивания и нам известны углы падения, можно выразить скорректированное значение для каждой точки p в ER следующим образом:где K′= (K∙ M) −1. Таким образом, акустическое изображение, построенное из Rm (p), составляет скорректированное по интенсивности изображение Im (p).В других методах, используется скорректированная ширина полосы засветки Rm (p). Однако все они также могут использовать интенсивности эха Im(p). Из-за этого, для упрощения обозначений, термины Im(p) и интенсивность эхо-сигнала будут использоваться для обозначения полосы обзора и величину значений, которые она содержит, соответственно, либо если они на самом деле являются интенсивностями эхосигнала, либо соответствующими значениями отражательной способности.Коррекция наклонаКак указывалось ранее, процесс проецирования каждого бинав соответствующее положение на морском дне известен как коррекция наклона. В предположении плоского дна это может быть легко достигнуто с помощью уравнения 2 с использованием hp = 0. Однако с алгоритмической точки зрения и во избежание пропусков в наклонной скорректированной полосе засветки предпочтительнее иметь наклонную дальность как функцию от наземный диапазон:Таким образом, для каждого возможного наземного диапазона можно вычислить наклонный диапазон и получить соответствующее значение интенсивности эхо-сигнала. Разрешение δg по наземной дальности при выполнении коррекции наклона может быть выбрано в зависимости от желаемой степени детализации. Однако хорошим выбором является использование того же значения, что и для разрешения по наклонной дальности δs, которое зависит от датчика. Кроме того, поскольку наклонный диапазон, соответствующий конкретному наземному диапазону, может лежать между двумя бинами, для получения интенсивности эхо-сигнала используется линейная интерполяция. Алгоритм 1 выполняет этот процесс. ЧленIm (∙) обозначает входную полосу. Это вектор, где каждое значение представляет интенсивность эхо-сигнала, соответствующую одному бину. ЧленImg (∙) обозначает скорректированную полосу засветки. Это вектор, в котором каждое значение представляет интенсивность эхо-сигнала, соответствующегобина в плоскости земли. Размер бина в плоскости земли - это разрешение δg по дальности на земле.Алгоритм. Коррекция наклона.Data: Im(∙): Ввод полосы засветки. Векторсодержитинтенсивностьэхадлякаждогобина.Result: Img(∙): Скорректированная полоса засветки. . Вектор содержит интенсивность эхадлякаждогобина.Для простоты в дальнейшем членполосызасветки будет относиться к проектируемой полосе для земли Img (∙), если не указано иное.Удаление слепой зоныВ предположении плоского дна высота АПА h и диапазон дальности, соответствующийFBR (rFBR), связаны через θ и отверстие датчика α следующим образом:Если высота h известна на каждом временном шаге, rFBR можно вычислить и использовать для выполнения удаления слепой зоны. Предполагая, что две сенсорные головки ГБО расположены симметрично по левому и правому борту, удаление слепой зоны состоит в отбрасывании всех бинов, диапазоны земли которых лежат между -rFBR и +rFBR. Если они не расположены симметрично, следует вычислить два rFBR, по одному для каждой измерительной головки. Как указывалось ранее, эти бины не содержат полезной информации об окружающей среде, но содержат шум или эхо от взвешенных в воде частиц, поэтому их следует отбросить.Следует также отметить, что в маловероятном случае, когда высота h недоступна, FBR может быть определен с использованием некоторой техники обработки сигналов, а высота h вычислена с использованием соответствующего выражения.На интенсивность акустического эха, регистрируемого в каждомбине, в основном влияет отражательная способность морского дна, но она также ослабляется в зависимости от пройденного расстояния и искажается шаблоном звукоизлученияГБО. Положение точки p в ER обычно выражается с помощью полярных координат (rs, θs) в плоскости YZ. Угол θs известен как угол скольжения и может быть вычислен следующим образом:Особенности использованияГидролокатор бокового обзора хорошо визуально отображает особенности морского дна, но при этом не предоставляет данных о фактических глубинах и абсолютном пространственном положении гидроакустических целей. В связи с этим ГБО часто используют в связке с эхолотом (данные по глубине) и GPS-приемником (данные по позиции).4 Алгоритмы обработки гидролокационного изображения4.1 алгоритмы обработки автоматического обнаруженияАктивный гидролокатор излучает в воду акустический сигнал или звуковой импульс. Звук отражается от целевого объекта и возвращает эхо-сигнал на датчик сонара. В отличие от активного гидролокатора, пассивный гидролокатор не излучает собственный сигнал, что является преимуществом для военных судов. Но пассивный сонар не может измерить расстояние до объекта, если он не используется вместе с другими пассивными подслушивающими устройствами. Для триангуляции источника звука необходимо использовать несколько пассивных гидролокаторов. Независимо от того, активен ли гидролокатор или это пассивный гидролокатор, информация, содержащаяся в отраженном сигнале, не может быть использована без технической обработки сигнала (рисунок 4.1). Рисунок 4.1. Блок-схема технической обработки сигналаЧтобы извлечь полезную информацию из смешанного сигнала, предпринимаются некоторые шаги по передаче необработанных акустических данных.Блок-схема последовательности этапов обработки сигнала для активного сонара показан на рис. 4.1.Рисунок 4.1. Этапы обработки сигнала для активного сонараДля генерации сигнального импульса типичными аналоговыми реализациями являются генераторы и (ГУН)генераторы, управляемые напряжением, за которыми следуют модуляторы. Амплитудная модуляция используется для взвешивания огибающих импульсов и преобразования спектра сигнала до некоторой подходящей несущей частоты для передачи.Во-первых, в сонарной системе поле акустического давления может быть представлено как s (t, ). Функция поля включает четыре переменные: время t и пространственную координату = (x, y, z). Таким образом, согласно преобразованию Фурье, в частотной области.В формуле ω– это временная частота, а – пространственная частота. Часто определяетсякак элементарный сигнал по той причине, что любое четырехмерное изображение может быть сгенерировано путем взятия линейной комбинации элементарных сигналов. Очевидно, что направление дает направление распространения волн, а скорость волн равнадлина волны4.2. Временная выборкаВ современном мире цифровые компьютеры вносят большой вклад в повышение скорости и эффективности анализа данных. Таким образом, необходимо преобразовать аналоговый сигнал в цифровой сигнал путем дискретизации сигнала во временной области. Работа может быть реализована с помощью трех устройств: устройства цифрового преобразования, контроллера динамического диапазона и устройства цифрового преобразования.Для простоты отбор проб производится через равные промежутки времени. Чтобы предотвратить искажение (то есть наложение спектров в частотной области) после восстановления сигнала из дискретизированного сигнала, необходимо выполнять выборку с более высокой частотой. Частота дискретизации, которая может хорошо сохранять информационное содержание аналогового сигнала s (t, ), подчиняется теореме выборки Найквиста – Шеннона. Предполагая, что период дискретизации равен T, таким образом, после временной дискретизации сигнал будетr(t) = r(nT) = s (t, )n - целое число.4.2Обработка данных для визуализацииПространственная выборка и формирование лучаНаличие соответствующего массива датчиков и формирователя луча – действительно важная часть для хорошей работы системы в гидролокаторе. Чтобы получить информацию об акустическом поле, необходимо измерить поле в пространстве и времени. Временная выборка уже обсуждалась выше. Матрица датчиков производит выборку в пространственной области, в то время как формирователь луча особым образом интегрирует выходной сигнал датчика для повышения эффективности обнаружения и оценки системы. Входными данными для формирователя луча является набор временных рядов, а на выходе формирователя луча – другой набор временных рядов или набор коэффициентов Фурье.ri(t) = s (t, = (xi, 0,0) = (iD, 0,0)Для желаемого направления = , Формирование луча – это один из видов фильтрации, который может применяться для выделения компонентов сигнала, распространяющихся в определенном направлении. Самым простым формирователем луча является взвешенный формирователь луча с задержкой и суммированием, который может быть реализован с помощью массива приемников или датчиков. Каждый треугольник является датчиком для выборки в пространственной области. После пространственной выборки сигнал выборки будет взвешен, и в результате будут суммированы все взвешенные сигналы. Предполагая, что массив из M датчиков распределен в пространстве, так что i -й датчик расположен в позиции xi (i = 0,1, ..., M-1) и полученный им сигнал обозначается ri (t). Таким образом, после формирования луча сигналСдвиг диапазона Сдвиг диапазона используется в активном и пассивном сонарах, чтобы упростить аппаратное и программное обеспечение, необходимое для последующей обработки. Например, в активных сонарах принимаемый сигнал содержится в очень узкой полосе частот, обычно около 2 кГц, с центром на некоторой высокой частоте, обычно около 50 кГц. Чтобы избежать дискретизации принятого процесса с частотой Найквиста 100 кГц, более эффективно демодулировать процесс до основной полосы частот, а затем использовать дискретизацию комплексной огибающей только на 2 кГц.Фильтрация и сглаживаниеФильтры и сглаживания широко используются в современных сонарных системах. После дискретизации сигнал преобразуется из аналогового сигнала в сигнал дискретного времени, поэтому учитываются только цифровые фильтры. Более того, хотя некоторые фильтры изменяются во времени или адаптируются, большинство фильтров инвариантны к линейному сдвигу. Цифровые фильтры, используемые в процессорах сигналов сонара, выполняют две основные функции: фильтрацию форм сигналов для изменения частотного содержания и сглаживание форм сигналов для уменьшения влияния шума. Два общих типа цифровых фильтров – это фильтры с КИХ и бесконечной импульсной характеристикой (БИХ). Отношение входа-выхода КИХ-фильтра:Отношение входа-выхода БИХ-фильтра:И КИХ-фильтры, и БИХ-фильтры имеют свои преимущества и недостатки. Во-первых, вычислительные требования процессора сонара более жесткие при реализации FIR-фильтров. Во-вторых, для БИХ-фильтра всегда трудно получить линейную фазу, поэтому КИХ-фильтр стабилен в отличие от БИХ-фильтра. Более того, КИХ-фильтры проще создавать с использованием оконной техники.Обработка решенийЦель гидролокатора состоит в том, чтобы извлечь информацию и данные из акустического пространственно-временного поля и поместить их в разработанный и предписанный процесс, чтобы мы могли применить различные случаи в одном фиксированном шаблоне. Таким образом, для реализации цели заключительный этап гидроакустической системы состоит из следующих функций:Обнаружение: Обнаружение сонара определяет, есть ли шум вокруг цели.Классификация: классификация сонара позволяет различать обнаруженный целевой сигнал.Оценка параметров и отслеживание: оценка в сонаре часто связана с локализацией цели, которая уже была обнаружена.Нормализация: Нормализация предназначена для того, чтобы сделать статистику обнаружения только шумовой характеристикой как можно более однородной.Обработка дисплея: обработка дисплея решает проблемы работоспособности и управления данными гидролокатора.ЗаключениеСовременные системы акустической гидролокации являются одним из главных средств дистанционного анализа структуры водной толщи, рельефа и структуры морского грунта для обеспечения задач мониторинга, геологических, инженерно-технических работ, безопасности судоходства и поиска объектов на морском дне.В области гидроакустики были проведены исследования, направленные на разработку передовых систем для точного обнаружения и локализации подводных целей. Одним из основных направлений этих систем является ГБО, которая ищет местоположение объектов. Производительность гидролокатора сильно зависит от конкретных алгоритмов обработки сигналов массива, используемых на практике. В настоящее время одной из основных задач является точная оценка целевого направления прибытия для подводных условий.Она достигается методами обработки сигналов ГБО: временной и пространственной выборками и формированием луча, а также фильтрацией и сглаживанием принимаемых сигналов.Список использованной литературыОрлов Е.Ф., Шаронов Г.А. Интерференция звуковых волн в океане. Владивосток: Дальнаука, 1998. - 195 с.Логинов К.В. Гидроакустические поисковые приборы. – М.: Пищевая промышленность, 1971. – 304 с., ил.Л. Росе. Шумы: источники, излучение и ослабление: сборник статей / под ред. А. Бъерне. М.: Мир, 1985.Ольшевский В. М. Статистические методы в гидролокации. — Л.: Судостроение, 1983. — 280 с.Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. -М.: Мир, 1987.-Т. 2.Рогачев В.И., Петров П.Н., Кравец В.С., Кулаков В.С. Акустоэлектронные устройства обработки гидроакустических сигналов. СПб.: Судостроение, 1993. – 184 с., ил.Колмогоров B.C., Юрченко E.H., Емельянов Е.С. Шумоизлучение корабля как отклик механической системы // Сб. статей , «Проблемы и методы разработки иэксплуатации вооружения и военной техники» Вып. 61. Владивосток: ТОВМИ, 2007.-С. 278-283.Деев В.В., Забродин Ю.М., Пахомов А.П., Тиненко В.А., Титов М.С. Анализ информации оператором-гидроакустиком. Д.: Судостроение.,1985 - 192 с.Акустика океана/под ред. Л. М. Бреховских. — М: Наука, 1982. -247с.Новиков А.К. Статистические измерения и обнаружение сигналов. -СПб.: ЦНИИ им. Крылова, 2006.- 252 с.Смарышев М.Д., Добровольский Ю.Ю. Гидроакустические антенны. Л.: Судостроение, 1984. - 304 с.Порохов И.В., Сущенко А.А., Кан В.А. Об одной задаче определения донной поверхности по данным гидролокатора бокового обзора // Актуальные проблемы вычислительной и прикладной математики: труды Международной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения академика Г. И. Марчука. 2015. С. 597–602. Kaeser A., Litts T. An Illustrated Guide to Low-Cost Sonar Habitat Mapping v1.0. 2014.URL:https://www.fws.gov/panamacity/resources/An%20Illustrated%20Guide%20to%20Low-Cost%20Sonar%20Habitat%.... (датаобращения: 22.03.2020). 3. Hamill D., Buscombe D., Wheaton J.M. Alluvial substrate mapping by automated texture segmentation of recreational-grade side scan sonar imagery // PLoS ONE. 2018. 13(3): e0194373. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0194373Goncharov A.E. An assessment of the condition of the IgarskaiaProtoka on the Yenisei in 2018: side-scan sonar imagery interpretations and bathymetry // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. 822. 012041 IOP Publishing doi:10.1088/1757-899X/822/1/012041Урик Роберт Дж., Основы гидроакустики. Перевод с английского Н. М. Гусева, Ю. Ф. Тарасюка, Л. Ф. Штейнмана, В. С. Яхонтовой. Ленинград: «Судостроение», 1978. 448 с. Robert J. Urick, Principles of underwater sound, New York. McGraw-Hill Book Company, 1975 Фирсов Ю. Г. Основы гидроакустики и использование гидрографических сонаров. Санкт-Петербург: Нестор-История, 2010. 348 с.