Информационно-измерительный комплекс для регистрации гидроакустических сигналов

• Автор: Линник, Михаил Александрович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Хабаровск
• Количество страниц: 163 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 Гидроакустические информационно-измерительные комплексы

1.1 Обзор гидроакустических информационно-измерительных комплексов

1.2 Протоколы информационного обмена по гидроакустическому каналу

1.3 Методы приема и передачи гидроакустических сигналов

1.4 Анализ современных микропроцессорных технологий цифровой обработки гидроакустических сигналов
ВЫВОДЫ
2 Разработка компьютерной модели гидроакустического информационноизмерительного комплекса

2.1 Структура компьютерной модели комплекса

2.2 Способ регистрации гидроакустических сигналов
2.3 Метод передачи информационно-измерительных данных
2.4 Алгоритм адаптации к характеристикам гидроакустического канала
2.5 Алгоритм синхронизации комплекса
ВЫВОДЫ
3 Синтез гидроакустического информационно-измерительного комплекса
3.1 Синтез многоканального корреляционного приемника
3.2 Сокращение энергопотребления комплекса
3.3 Синтез основных блоков комплекса
3.4 Структура информационно-измерительного комплекса
ВЫВОДЫ
4 Эксперименальные исследования
4.1 Оценка погрешностей формирования информационных интервалов

4.2 Оценка погрешности синхронизации
4.3 Лабораторные испытания комплекса
4.4 Схема проведения натурных испытаний
4.5 Результаты натурных испытаний
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Приложение Г
Приложение Д

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. В течение последних десятилетий наблюдается постоянный рост интереса к созданию подводных гидроакустических сенсорных сетей, способных обеспечить реализацию задач сбора океанографических данных, мониторинга загрязнений окружающей среды, геологической разведки, сейсмологического мониторинга и предупреждения стихийных бедствий.
Элементами гидроакустических сенсорных сетей могут быть подводные стационарные системы сбора данных, автономные подводные роботы, подводные маяки и суда обеспечения, совместно выполняющие задачу сбора данных и реагирования на изменение внешней обстановки в рамках целевой миссии.
В силу специфики работы основными техническими средствами подводных сенсорных сетей, обеспечивающими их надежную эксплуатацию, являются гидроакустические информационно-измерительные комплексы. Корректное функционирование информационно-измерительных комплексов напрямую зависит от эффективной регистрации гидроакустических сигналов в реальном масштабе времени. Решение задачи регистрации сигналов возложено на специальные программно-аппаратные средства цифровой обработки сигналов и на технические средства приема и передачи гидроакустических сигналов.
Основными сложностями при проектировании элементов и узлов гидроакустического информационно-измерительного комплекса являются: ограниченная полоса пропускания, многолучевое распространение, сильное затухание и рассеивание гидроакустического сигнала. Кроме того, информационно-измерительный комплекс должен проектироваться с учетом ограниченного ресурса батарей и массогабаритных показателей.
Исследования по проблемам разработки гидроакустических информационноизмерительных комплексов отражены в работах российских и зарубежных ученых: М.Д. Агеева, Ю.В. Матвиенко, Л.В. Киселева, Б.А. Касаткина, С.Г. Яковлева, А.Ж. Ермоленко, В.А. Акуличева, К.Г. Кебкала, М. Стоянович, И. Дж. Мила, Р. Банаша, Дж. А. Катиповик, Р.Д. Криста и др.
Наибольший опыт в частичной и комплексной разработке данных

(1.8)
где ик - последовательность входных отсчетов (обрабатываемый сигнал); гп{ — сформированный массив отсчетов цифровой копии сигнала;
ТУ-длина обрабатываемого сигнала, выраженная в периодах частоты дискретизации (размер окна).
Для увеличения быстродействия при нахождении корреляционной функции можно использовать так называемую «быструю корреляцию» [53]. Быстрая корреляция - нахождение корреляционной функции в частотной области, благодаря поэлементному умножению образов Фурье входного сигнала и маски. Реализация корреляционного метода в частотной области при построении системы, работающей в реальном масштабе времени, имеет ряд недостатков. Во-первых, для вычисления корреляционной функции необходимо хранить все дискретные отсчеты принятого сигнала, что потребует организовать большие блоки памяти при аппаратной реализации метода. Во-вторых, нахождение корреляционного максимума нужно выполнять только после того, как вся входная последовательность принята, то есть расчет корреляционного максимума в частотной области в реальном масштабе времени невозможен из-за отсутствия всех данных. Поэтому для нахождения момента прихода сигнала в реальном масштабе времени предпочтительным является метод нахождения корреляционной функции во временной области.
Предел точности временного обнаружения момента прихода сигнала полностью определяется шириной основного пика корреляционной функции сигнала, и, чем острее это пик, тем меньше среднеквадратичное значение оценки времени запаздывания [54]. Таким образом, сигналы с узким пиком корреляционной функции являются предпочтительными для более точного нахождения момента прихода сигнала.
Оценка потенциальной точности временного обнаружения момента прихода гидроакустического сигнала для белого гауссовского шума определяется расширенной формулой Крамера-Рао [55]