2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................5
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ ИМИТАТОРОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ РЫБОПОИСКОВЫХ ПРИБОРОВ (ОБЗОР) 10
2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ (ИМИТАЦИЯ) СИГНАЛА, ПРИНИМАЕМОГО АНТЕННОЙ РЫБОПОИСКОВОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРИБОРА,
В ВИДЕ СУММЫ НЕЗАВИСИМЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТ .. 17
3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОМПОНЕНТ СИГНАЛОВ, ПРИНИМАЕМЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИМИ РЫБОПОИСКОВЫМИ ПРИБОРАМИ........................................................22
3.1. Анализ совокупности компонент сигналов, принимаемых гидроакустическими рыбопоисковыми приборами......................22
3.2. Математические модели эхо-сигналов от промысловых объектов
и эталонных целей.............................................25
3.2.1. Эхо-сигнал от искусственной эталонной цели.............25
3.2.2. Эхо-сигнал от одиночной рыбы .........................27
3.2.3. Эхо-сигнал от рыбной стаи (косяка).................... 30
3.3. Математические модели эхо-сигналов от поверхностей раздела сред ... 33
3.3.1. Когерентная составляющая эхо-сигнала от дна водоема....33
3.3.2. Реверберационная составляющая эхо-сигнала от дна водоема .... 35
3.3.3. Повторный эхо-сигнал от дна водоема....................39
3.3.4. Эхо-сигнал от поверхности водоема......................42
3.4. Математические модели рсверберационных сигналов от неоднородное гей среды...........................................45
3.4.1. Реверберациоиный сигнал от глубинных неоднородностей водной среды (объемная реверберация).........................45
3.4.2. Реверберациоиный сигнал от приповерхностного слоя рассеивателей................................................49
3.4.3. Реверберациоиный сигнал от звукорассеивающего слоя.... 54
3
3.4.4. Реверберациоиный сигнал от кильватерной струи................57
3.5. Математические модели эхо-сигналов от элементов орудий лова
и других судов......................................................61
3.5.1. Эхо-сигнал от нижней подборы трала...........................61
3.5.2. Эхо-сигнал от верхней подборы трала..........................63
3.5.3. Эхо-сигнал от траловой доски.................................65
3.5.4. Эхо-сигнал от тралового груза................................70
3.5.5. Эхо-сигнал от рыбы в кутке трала.............................72
3.5.6. Эхо-сигнал от встречного судна...............................73
3.6. Математические модели импульсных помех от зондирующих импульсов гидроакустических рыбопоисковых приборов..................... 75
3.6.1. Импульсная помеха от собственного зондирующего импульса ... 75
3.6.2. Импульсная помеха от зондирующего импульса гидролокатора другого судна.........................................77
3.7. Математические модели шумовых помех................................84
3.7.1. Акустические шумы собственного судна.........................84
3.7.2. Внешние акустические шумы водоема............................87
3.7.3. Электрические шумы антенны и приемного тракта............... 89
3.8. Выводы по результатам моделирования отдельных компонент результирующего сигнала.................................................90
4. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ, ОБЪЕКТОВ ЛОКАЦИИ, АППАРАТУРЫ И НОСИТЕЛЯ АППАРАТУРЫ НА СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ФЛЮКТУАЦИИ УРОВНЕЙ КОМПОНЕНТ СИГНАЛОВ ... 91
4.1. Учет потерь на распространение звука в водной среде................91
4.2. Учет влияния рефракции звуковых лучей..............................95
4.3. Учет эффекта Доплера при движении носителя рыбопоисковой аппаратуры и объектов локации......................................... 100
4.4. Учет формы характеристики направленности гидроакустической антенны............................................................... 102
4.5. Учет параметров тракта излучения рыбопоисковой аппаратуры 105
4
4.6. Учет параметров приемного тракта рыбопоисковой аппаратуры .107
4.7. Учет параметров систем вторичной обработки сигналов........109
4.8. Учет ракурса промысловых объектов..........................112
4.9. Принципы имитации флюктуаций уровня принимаемого сигнала...114
5. РАЗРАБОТКА ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ И
ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ НА БАЗЕ ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................. 121
5.1. Однокомпьютерные тренажеры с программной реализацией
моделей среды, аппаратуры и судна............................121
5.2. Однокомпыотерный тренажер с аппаратной реализацией приемного тракта, устройств отображения информации и пульта управления рыбопоискового эхолота........................................ 123
5.3. Многокомпьютерные рыбопромысловые тренажеры с обменом информацией между моделями по локальной компьютерной сети .... 127
5.4. Моделирующая подсистема имитационно-аналитического компьютерного комплекса эксперта-гидроакустика................ 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................... 135
ЛИТЕРАТУРА
138
ВВЕДЕНИЕ
5
Мировое промышленное рыболовство является одним из основных источников необходимых человеку продуктов питания. Промышленная добыча морепродуктов способна включить в пищевую цепь человека примерно половину всей первичной продукции фотосинтеза на планете, приходящейся на долю Мирового океана и внутренних водоемов. По этой причине вклад мирового рыболовства в решение проблемы обеспечения продовольствием постоянно растущего населения Земли является незаменимым.
Значительная часть мировой добычи морепродуктов обеспечивается рыбопромысловым флотом. Источниками информации о подводной обстановке на рыбопромысловых судах являются гидроакустические приборы - гидролокаторы, эхолоты и траловые зонды. Обслуживающим их операторам (гидроакустикам, штурманам) часто приходится работать в очень сложных условиях и допущенные ими ошибки могут приводить к нежелательным последствиям вплоть до аварий с орудиями лова или самими судами. Получение необходимых навыков по работе с гидроакустическими приборами требует длительных сроков стажировки операторов в условиях промысла, что экономически невыгодно.
Считается, что наиболее эффективным средством профессиональной подготовки судовых операторов являются тренажеры /1 - 6/, в которых искусственно реализуются физические или функциональные модели рыбопоисковых приборов и их взаимодействия с внешней средой. Потребность в гидроакустических тренажерах возрастает и в связи с тенденцией усложнения функциональных возможностей рыбопоисковых приборов, что, в свою очередь, увеличивает разнообразие и количество представляемой оператору информации. 13 настоящее время поднимается вопрос об обязательной периодической переподготовке судоводителей-промысловиков с помощью рыбопромысловых тренажеров, в которых гидроакустические тренажеры являются одной из основных подсистем /5/.
Реализация упомянутых моделей в гидроакустических тренажерах осуществляется с помощью имитаторов сигналов и помех /3, 4, 6, 7/, обеспечивающих, в
6
свою очередь, формирование в устройствах отображения информации (реальных или имитируемых) гидроакустических приборов графических изображений или звуковых сигналов, соответствующих имитируемой ситуации.
Основным условие пригодности моделей для использования в имитаторах тренажеров является выполнение требования недопустимости формирования на тренажере ложных навыков управления /3, 4, 7/. Это обеспечивается путем создания моделей, погрешность которых не превышает погрешности информации о состоянии моделируемых объектов, получаемой оператором в реальных условиях промысла. В этом случае оператор не будет замечать информационного различия между реальными и имитируемыми в тренажере объектами. Очевидно, что это требование будет выполняться тем полнее, чем точнее будут воспроизводиться (имитироваться) сигналы и помехи в имитаторах тренажеров. На точность их воспроизведения влияет, в первую очередь, полнота учета всех элементарных сигналов, участвующих в формировании результирующего сигнала на выходе приемного тракта рыбопоискового прибора. Элементарные сигналы или компоненты результирующего сигнала формируются при отражении зондирующих импульсов от большого количества разнообразных по размеру и форме подводных объектов, а также при воздействии на гидроакустическую антенну шумов и помех искусственного или естественного происхождения.
Вторым важным условием по обеспечению точности воспроизведения результирующею сигнала является соблюдение определенной пропорциональности между средними уровнями элементарных сигналов. Это особенно важно при одновременной имитации работы нескольких рыбопоисковых приборов. При этом следует отметить, что неточное воспроизведение среднего уровня самого результирующего сигнала практически не влияет на качество обучения оператора, так как реальные рыбопоисковые приборы всегда имеют отклонения технических характеристик от номинальных (паспортных) значений.
Большое значение для точности воспроизведения сигналов имеет также возможно более достоверный учет влияния на параметры принимаемых сигналов характеристик внешней среды, режимов работы и характеристик рыбопоисковых
7
приборов, характеристик и параметров движения носителя рыбопоискового прибора и объектов локации.
Так как в реальных условиях амплитуды огибающих эхо-сигналов и помех изменяются случайным образом относительно средних уровней, немаловажное значение для достоверной имитации представляемой оператору через визуальные и слуховые индикаторы информации имеет моделирование флюктуаций сигналов и помех.
В последнее время появилась потребность в имитационно-моделирующих комплексах, обеспечивающих возможность для экспертов-гидроакустиков анализировать в береговых условиях особенности и возможности предлагаемой на рынке рыбопоисковой аппаратуры до се установки на конкретные типы судов /11/. Имитационно-моделируюшие комплексы могут быть полезны и для разработчиков рыбопоисковых приборов, так как они позволяют еще на этапах эскизного или технического проектов оценить влияние предлагаемых технических решений на эффективность работы проектируемой аппаратуры. Очевидно, что в имитационно-моделирующих комплексах целесообразно применять имитаторы сигналов, аналогичные имитаторам гидроакустических тренажеров.
Анализ приводимых в литературе математических моделей компонент гидроакустического сигнала показывает, что они чаще всего или сильно упрощены, или, наоборот, настолько сложны, что их реализация в имитаторах в реальном масштабе времени невозможна. Кроме того, довольно большое количество компонент результирующего сигнала рыбопоисковых приборов до настоящего времени на уровне моделей никем не рассматривалось.
В настоящей работе ставится задача исследования математических моделей компонент сигнала, принимаемого антеннами рыбопоисковых приборов, а также связи этих моделей с моделями среды, носителей аппаратуры, излучающих и приемных трактов рыбопоисковых приборов.
Эти исследования направлены на создание имитаторов гидроакустических сигналов и помех, предназначенных для использования в составе гидроакустических тренажеров и имитационно-моделирующих комплексов.
8
Целью диссертационной работы являются теоретическое исследование структуры многокомпонентных сигналов рыбопоисковых приборов, разработка оптимальных для реализации на современных вычислительных средствах математических моделей компонент результирующего сигнала, сравнительные расчеты средних уровней компонент результирующего сигнала и отбор по результатам расчетов наиболее значимых компонент, оптимизация алгоритмов учета влияния на средние значения и флюктуации уровней компонент сигнала параметров объектов локации, режимов работы рыбопоисковых приборов, характеристик и режимов движения носителей рыбопоисковой аппаратуры, параметров среды распространения гидроакустических сигналов, разработка принципов построения имитаторов сигналов и помех для тренажеров и имитациоино-моделирующих экспертных систем.
Поставленная в работе цель автором достигается теоретическими исследованиями, сравнительными расчетами и проверкой полученных результатов путем моделирования на ПЭВМ. Разработанные модели и алгоритмы были использованы при проектировании ряда рыбопромысловых тренажеров и экспертной системы. Оценка качество имитации рабо ты рыбопоисковых приборов и корректировка моделей и алгоритмов осуществлялись с помощью экспертных оценок специали-стов-гидроакустиков на выставках и в процессе внедрения тренажеров в учебных заведениях.
На защиту выносятся следующие теоретически исследованные и практически проверенные научные результаты:
1. Принцип формирования модели результирующего сигнала, принимаемого антенной рыбопоискового прибора, путем суммирования интенсивностей независимых энергетических компонент.
2. Математические модели основных компонент результирующего сигнала, формируемые в различных ситуациях при работе рыбопоисковых приборов на промысле.
3. Алгоритмы учета влияния на средние значения и флюктуации уровней компонент сигнала параметров объектов локации, режимов работы рыбопоиско-
9
вых приборов, характеристик и режимов движения носителей рыбопоисковой аппаратуры, параметров среды распространения гидроакустических сигналов.
4. Результаты практической реализации имитаторов сигналов и помех в составе гидроакустических тренажеров и имитационно-модслирующей экспертной системы.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка цитируемых литературных источников.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задача исследований.
В первом разделе представлен обзор литературных источников, посвященных принципам построения гидроакустических тренажеров и входящих в их состав имитаторов сигналов и помех.
Во втором разделе обоснован принцип формирования модели результирующего сигнала, принимаемого антенной рыбопоискового прибора, путем суммирования интенсивностей энергетически независимых компонент.
В третьем разделе представлен анализ совокупности компонент сигналов, принимаемых рыбопоисковыми гидроакустическими приборами. Рассмотрены и оптимизированы известные математические модели компонент результирующего сигнала рыбопоисковых приборов, предложены математические модели для ранее не исследованных компонент результирующего сигнала. По полученным выражениям проведены сравнительные расчеты средних уровней компонент для серийных гидролокатора и градового зонда и выполнен по результатам расчетов отбор наиболее значимых компонент результирующего сигнала.
В четвертом разделе рассмотрены факторы, влияющие на средние значения и флюктуации уровней компонент результирующего сигнала, и предложены оптимальные алгоритмы, обеспечивающие учет влияния этих факторов.
В пятом разделе представлены результаты использования полученных результатов при разработке гидроакустических тренажеров и экспертной системы.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.
10
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ ИМИТАТОРОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ РЫБОПОИСКОВЫХ ПРИБОРОВ (ОБЗОР)
В процессе развития электронной и, соответственно, тренажерной техники имитаторы гидроакустических рыбопоисковых приборов прошли несколько этапов. В соответствии с этими этапами можно по способу реализации выходных эффектов выделить следующие классы имитаторов сигналов и помех /7/:
- имитаторы, использующие магнитофонные записи реальных сигналов ры-попоисковых приборов;
- имитаторы, формирующие аналоговые сигналы;
- имитаторы, синтезирующие сигналы в цифровой форме;
- имитаторы, использующие программное моделирование на ЭВМ.
Тренажеры с имитаторами, использующими магнитофонные записи, не позволяли создавать произвольные сценарии тренировок и активно использовать обучаемыми все органы управления рыбопоискового прибора, в частности, оперативно перестраивать режимы излучения и управлять ориентацией характеристики направленности антенны для поддержания акустического контакта с целью /3, 6/. С их помощью можно было только ознакомить обучаемых с характерными признаками помех и эхо-сигналов от ограниченного ряда подводных объектов, а также отработать правила обнаружения и оценки полезных сигналов на фоне помех. Имитаторы такого типа нельзя было использовать в составе комплексных навигационно-промысловых тренажеров, на которых производится обучение совместному использованию радиолокационной, радионавигационной и рыбопоисковой аппаратуры /3/. При создании имитаторов с магнитофонными записями математические модели сигналов и помех практически не использовались.
С появлением интегральных микросхем стало возможным создание компактных имитаторов, формирующих электрические сигналы, аналогичные сигналам в приемных трактах рыбопоисковых приборов. Комнлексирование таких имитаторов с аналоговыми и цифровыми ЭВМ, моделирующими параметры внешней среды и судна-носителя аппаратуры, позволило значительно расширить
11
возможности гидроакустических тренажеров по приближению условий тренировки к реальным 161. В этот период появилась потребность в математических моделях эхо-сигналов и помех и моделях среды распространения звуковых колебаний применительно к использованию в тренажерах.
Первоначально модели среды реализовывались на дискретных элементах (конденсаторах, резисторах, потенциометрах, электрических машинах) /3, 6/, что сказывалось на стабильности формируемых процессов распространения сигналов и помех, значительно увеличивало габариты имитаторов, не позволяло использовать один и тот же имитатор для моделирования различных рыбопоисковых приборов. Появление микропроцессорной техники позволило устранить отмеченные недостатки при реализации моделей среды и, кроме того, расширить возможности по реализации моделей эхо-сигналов и помех /8/. Формирование сигналов, помех и процессов их взаимодействия со средой в виде последовательное гей цифровых кодов дало возможность избежать периодической подстройки параметров имитаторов, значительно увеличить количество имитируемых ситуаций, осуществлять оперативную перестройку параметров моделей.
Качественный скачок в развитии тренажерной техники произошел при использовании программного моделирования на цифровых ЭВМ всех процессов формирования и распространения гидроакустических сигналов и помех в среде и их обработки в приемных трактах рыбопоисковых приборов. Это позволило значительно увеличить объем и детализацию моделируемых процессов, создавать библиотеки разнообразных сценариев тренировок, останавливать в любой момент времени процесс тренировки для обсуждения развития ситуации и анализа решений и действий обучаемого, многократно воспроизводить нужную ситуацию для формирования у обучаемых требуемых навыков, убыстрять или замедлять имитируемые процессы.
Первоначально выходные эффекты этого класса имитаторов реализовывались, как и в предшествующих классах, в виде реальных аналоговых или цифровых сигналов, подаваемых на реальную аппаратуру рыбопоисковых приборов (в приемный тракт или на вход устройства отображения информации штатных пуль-
12
тов управления). После появления высокопроизводительных графических станций наметилась тенденция перехода в тренажерах от использования реальных пультов управления и индикации рыбопоисковых приборов к их макетам /4/. Этот переход логически обосновывается и тем, что в современных рыбопоисковых приборах широко стали использоваться компьютерные блоки и мониторы аналогичные применяемым в персональных ЭВМ. В результате перехода к компьютерным аналогам пультов управления и индикации отпадает необходимость в формировании реальных сигналов и помех и появляется возможность использования при моделировании их полностью виртуальных аналогов.
По мере увеличения функциональных возможностей тренажеров и входящих в их состав имитаторов происходило и усложнение используемых моделей сигналов и помех и алгоритмов их взаимодействия с моделями среды, судна и орудий лова. ">га тенденция обусловлена стремлением к повышению полноты имитации, которую количественно можно оценить как отношение числа имитируемых факторов к общему числу реально воздействующих факторов /4/.
На ранних стадиях развития тренажерной техники в имитаторах использовалось предельно ограниченное количество компонент результирующег о сигнала, принимаемого антенной рыбопоискового прибора, а взаимодействие моделей этих компонент с моделями среды, судна и приемного тракта описывалось простейшими математическими зависимостями. Для описания отражательной способности объектов поиска как точечных (одиночных рыб), так и протяженных (рыбных косяков) использовались понятия радиуса эквивалентной сферы или его логарифмического эквивалента - силы цели. При этом не учитывалась зависимость силы цели от ракурса тела рыбы, не являющегося идеальной сферой, а для косяков и от ширины характеристик направленности антенн, степени охвата этими характеристиками косяков, длительности зондирующего импульса. Характеристики направленности антенных трактов обычно аппроксимировались ступенчатой функцией /3, 8/, в результате чего фиксировался не имеющий места на практике эффект резкого исчезновения эхо-сигнала от лоцируемого объекта при увеличении до определенной величины угла между осью характеристики нанрав-
- Київ+380960830922