О возможности использования адаптивного фильтра в охранной системе интерференционного типа при обнаружении движущегося подводного объекта

КОЛМОГОРОВ Владимир Степанович,
кандидат технических наук, доцент

КАЛАШНИКОВ Иван Иванович

СЕНЧЕНКО Алексей Георгиевич,
кандидат технических наук

О возможности использования адаптивного фильтра в охранной системе
интерференционного типа при обнаружении движущегося подводного объекта

Источник: журнал "Специальная Техника" № 1 2008 год

Как показано в [1], к одной из проблем, требующих решения в настоящее время, следует отнести проблему охраны подводных объектов. К таким объектам можно отнести объекты нефтедобычи, гидронавтики, объекты по выращиванию аквакультур и т.д. Охрана объектов, прилегающих к водным акваториям, также требует освещения подводной обстановки. Известны устройства, использующие принцип обнаружения движущегося объекта по нарушению сложившейся интерференционной картины, созданной путем излучения акустических или электромагнитных волн в замкнутых пространствах, таких, как салон автомобиля, охраняемого строительного помещения и т.п.

Такие охраняемые объекты имеют стационарные, неподвижные границы [2]. Использование этого принципа в морских условиях затруднено, поскольку в водной среде имеются только две границы - поверхность и дно моря, при этом поверхность моря имеет весьма изменчивую во времени форму и статистически неоднородна. Поэтому использование данного принципа в морских условиях невозможно без использования принципов адаптивной фильтрации. В целях оценки возможности использования адаптивных фильтров при реализации интерференционного обнаружителя с увеличенной апертурой антенны за счёт появления мнимых источников звука при лоцировании морской поверхности моря были произведены экспериментальные исследования устройства обнаружения движущегося объекта [3] в гидроакустическом бассейне.

Рис. 1. Расчёт акустического поля до дистанции 2 км (а),
его горизонтальный разрез на глубине 50 м (б)
и вертикальный разрез на дистанции 500 м (в)
от ненаправленного источника звука

Рис. 2. Схема экспериментальной установки в гидроакустическом бассейне:
1 - модель движущегося тела;
2 - приёмный преобразователь;
3 - излучатель

Эти исследования показали возможность использования адаптивного нерекурсивного фильтра типа LMS (Least Mean Square), основанного на минимизации градиента мгновенного значения ошибки между образцовым и входным сигналом при использовании метода наименьших квадратов [4]. Для анализа акустического поля в морской среде были произведены расчёты для различных районов Японского моря с использованием программы волнового расчёта акустического поля на основе псевдодифференциальных параболических уравнений [5]. На рис. 1а представлен один из расчётов акустического поля до дистанции 2 км, а на рис. 1 6, в - его горизонтальный и вертикальный разрезы.

Анализ акустического поля в морских условиях показывает, что интерференционная картина может наблюдаться до десятков километров, что подтверждается рядом экспериментальных работ, к примеру в [6], при этом в ряде участков морской среды наблюдается периодическая структура акустического поля как по амплитуде, так и по фазе. В случае если в эту сложившуюся интерференционную структуру поместить движущийся объект, на выходе приёмника будут наблюдаться амплитудно-фазовые флюктуации сигнала за счёт изменения сложившейся интерференционной картины, что адекватно амплитудно-фазовой модуляции сигнала.

Рис. 3. Результаты экспериментальных исследований при протяжке модели
движущегося тела в гидроакустическом бассейне в условиях спокойной поверхности воды

Рис. 4. Амплитудная огибающая сигнала при протяжке плоской пластины
в гидроакустическом бассейне в горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях

Для подтверждения этого явления в гидроакустическом бассейне были произведены эксперименты. Экспериментальная установка для проведения исследований вертикальной плоскости в гидроакустическом бассейне представлена на рис. 2.

При проведении экспериментов тело 1 приводилось в движение с помощью электродвигателя и механизма протяжки. При этом преобразователь 3 излучал высокочастотный гидроакустический сигнал, который после переотражения от поверхности воды принимался приёмником 2, после чего детектировался амплитудным детектором и регистрировался на ПК. Интерференционная структура акустического поля при этом формируется при когерентном сложении излучённого и отражённых от поверхности воды и стенок бассейна сигналов.

Изменение уровня продетектированного сигнала на выходе амплитудного детектора при проведении экспериментальных исследований, проведённых в гидроакустическом бассейне, представлено на рис. 3.

При проведении экспериментов в гидроакустическом бассейне для исключения влияния гидродинамических явлений от движущегося тела также использовалась тонкая пластина размером 10x10 см. При этом пластина перемещалась как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях. Результаты эксперимента показаны на рис. 4.

Как видно из рис. 4, при движении тела на выходе приёмника возникают во времени флюктуации сигнала по амплитуде. При этом в данных экспериментах модель движущегося тела не пересекала линии приёмоизлучающей базы. То есть флюктуации амплитудной огибающей сигнала вызваны движением модели в интерференционном поле приёмоизлучающей системы. В связи с наличием большого количества отражений сигнала от стенок бассейна на регистраторе наблюдалась непереодичность интерференционных максимумов в амплитудной огибающей сигнала (рис. 4).

Перемещение пластины по вертикали производилось на расстоянии 1,5 м от приёмоизлучающей базы преобразователей, при этом в первые 6 секунд производилась фоновая запись сигнала с амплитудного детектора, затем начиналось перемещение пластины.

Рис. 5. Результаты экспериментальных исследований
при протяжке модели движущегося тела в условиях взволнованной поверхности:
а)  фоновая запись при взволнованной поверхности без протяжки модели;
б)  сигнал с выхода амплитудного детектора при протяжке
модели на фоне взволнованной поверхности бассейна;
в)  сигнал с выхода амплитудного детектора при протяжке модели
на фоне взволнованной водной поверхности бассейна
при использовании адаптивного фильтра

Как видно на рис. 3, 4, на выходе амплитудного детектора появляется сигнал, характеризующий наличие движущегося объекта при подходе к охраняемой зоне. Но при создании «волнения» водной поверхности бассейна этот сигнал не наблюдался - он был «зашумлен» появлением модуляции от взволнованной поверхности, как это показано на рис. 5а.

На рис. 5 показан сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований с движущейся моделью при наличии взволнованной водной поверхности бассейна без использования адаптивного фильтра (рис. 56) и с использованием адаптивного фильтра типа LMS (рис. 56) из блока DSP пакета расширения Simulink системы MATLAB. Как видно на рис. 56, использование адаптивного фильтра позволяет выделить сигнал, вызванный изменением интерференционной картины акустического поля движущимся объектом, в условиях наличия взволнованной поверхности водной акватории.

Таким образом, использование адаптивной фильтрации при создании охранной системы интерференционного типа позволит «отстроиться» от фоновых помех и обнаружить подводный движущийся объект в контролируемой зоне. В заключение следует отметить, что полученные результаты могут быть интерпретированы и для интерференционных систем с использованием электромагнитного излучения, как это рассмотрено в ряде работ, к примеру в [2], в условиях наличия взволнованной водной поверхности.

Литература

1. Звежинский С.С. Возможности новых магнитометрических средств обнаружения для охраны гражданских и военных объектов / Специальная техника, 2004, № 6.
2. Патент РФ на изобретение № 2130646 от 20.05.1999. Способ обнаружения объектов в контролируемой зоне (авторы: Трефилов Н.А. и др.).
3. Патент РФ на полезную модель (положительное решение от 30.08.07 г.). Устройство обнаружения движущегося объекта (авторы: Калашников И.И., Колмогоров B.C., Сенченко А.Г., Юрченко Е.Н.).
4. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. 2-е изд. СПб.: Питер, 2006, 752 с.
5. Авилов КВ. Программный комплекс РПЗЭМС, Научно-технический центр «Модуль»/ Сб. программ «Программные средства расчёта характеристик канала распространения звука в морской среде», составитель Зиняков Ю.Н. - М.: РТУ ВМФ, 2003.
6. Орлов Е.Ф., Шаронов Г.А. Интерференция звуковых волн в океане. Владивосток: Дальнаука, 1998, 195 с.