Разработка методов и программно-алгоритмических средств апертурного синтеза гидроакустических антенн в пассивном режиме

Актуальность работы.

Апертурный синтез в гидролокации развивается в основном в направлении получения изображения дна с высоким разрешением, при этом используется активный режим антенны. Синтез апертуры для пассивного наблюдения источников на дальних расстояниях начал исследоваться только с конца 1980;х годов. В то же время известно, что в радиолокации синтезирование апертуры стало основным методом получения высокоразрешающих изображений подстилающей поверхности при съемке с летательных аппаратов. Причиной послужило то, что в случае летательного аппарата увеличение физического размера антенны для получения высокого разрешения крайне затруднено.

В гидролокации сложилась иная ситуация. Слабое, в сравнении с радиолокацией, развитие пассивного синтеза апертуры было обусловлено существенным различием в скорости распространения акустического сигнала в воде и радиосигнала в воздухе, а также сравнительно низкой скоростью перемещения антенны. Кроме того, имело место и следующее соображение: обеспечение высокого разрешения на дальних расстояниях в гидроакустике возможно с помощью гибких протяженных буксируемых антенн (ГПБА), применение которых является мощной альтернативой использованию синтезированной апертуры. Именно в сторону ГПБА были направлены основные силы исследователей и разработчиков.

Как следствие, несмотря на выгоды, которые может принести синтез апертуры в гидроакустике, развивалась эта тематика достаточно медленно, в основном, в теоретическом плане. Выгоды синтеза апертуры вытекают из недостатков ГПБА. Прежде всего, ГПБА трудно разместить на мобильных плавсредствах (гидросамолетах, быстроходных катерах и т. д.), в то же время быстрая доставка антенны в район обследования очень важна, в частности при антитеррористических (антипиратских) действиях, борьбе с контрабандистами и т. п. Существует проблема увеличения длины ГПБА при буксировке подводными лодками. Кроме того, ГПБА в силу своей гибкости в процессе буксировки изменяет форму, что требует решения дополнительной задачи по идентификации формы.

Таким образом, актуальность работы обусловлена потребностью в эффективных методах синтезирования апертуры в гидроакустике.

Цели диссертационной работы заключаются в анализе эффективности нескольких известных алгоритмов синтеза апертуры в пассивном режиме, их доработке, разработке и апробации новых методов.

Для достижения поставленных целей должны были быть решены следующие задачи:

1. Выработать единый критерий для оценки эффективности синтеза апертуры.

2. Разработать программно-алгоритмическую систему, позволяющую испытывать алгоритмы синтеза апертуры в равных условиях на тестовых (полученных для случая модельной помехосигнальной обстановки) и реальных сигналах.

3. Разработать метод компенсации некорректной оценки направлений на источники сигнала, возникающей вследствие отклонения платформы от прямолинейного курса, необходимого для синтеза апертуры.

4. Разработать метод синтеза апертуры для широкополосных сигналов.

5. Провести тестирование существующих и предложенных алгоритмов синтеза апертуры на тестовых и реальных сигналах.

Научная новизна.

1. Разработан научно обоснованный критерий оценки качества синтезирования апертуры.

2. Предложен метод адаптивного уточнения характеристики направленности при наличии ошибок в определении курса платформы.

3. Предложен алгоритм синтеза апертуры для широкополосных сигналов во временной области.

Практическая значимость.

1. Разработанный программно-алгоритмический комплекс SynApp позволяет обрабатывать реальные гидроакустические сигналы в режиме синтезированной и реальной апертуры, проводить сравнительный анализ эффективности различных алгоритмов.

2. Предложенный итеративный метод уточнения характеристики направленности позволяет применять алгоритм ETAM (Extended Towed Array Measurements), известный в литературе, при наличии отклонений курса платформы от прямолинейного для случая одного источника сигнала.

3. Созданный в рамках работы алгоритм ТЕТАМ (Time-Domain ETAM) позволяет осуществлять синтез апертуры для широкополосных сигналов во временной области, в том числе для нескольких источников с различными частотными характеристиками.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Программно-алгоритмический комплекс SynApp позволяет моделировать широкий спектр методов обработки гидроакустических сигналов, связанных с синтезированием апертуры.

2. Алгоритм ЕТАМ, известный в литературе, по сравнению с другими алгоритмами является наиболее эффективным для узкополосных сигналов, требуя минимум априорной информации.

3. Итеративный алгоритм, основанный на автофокусировке характеристики направленности, позволяет компенсировать искажения последней, возникающие в процессе синтеза апертуры с помощью алгоритма ЕТАМ в случае непрямолинейного движения платформы.

4. Алгоритм ТЕТАМ обеспечивает синтез апертуры во временной области при наличии нескольких источников сигнала с разными частотными характеристиками.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

VIII Международная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2006, Санкт-Петербург, 29−31 мая 2006 г.- Научно-практическая конференция молодых ученых и студентов НГУ и ИАиЭ СО РАН «Информационно-вычислительные системы анализа и синтеза изображений», 19−20 сентября 2006 г., Новосибирск- 8th International Conference on Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies — PRIA-8−2007 (Russia, Yoshkar-Ola, Oct. 8−12, 2007) — IX Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2008, Санкт-Петербург, 27−29 мая 2008 г.- X Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» — ГА-2010, Санкт-Петербург, 25−27 мая 2010 г.- III Международная конференция «Автоматизация, управление и информационные технологии-2010» (Automation, Control, and Information Technology) — ACIT'2010. Новосибирск, 15−18 июня 2010 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 печатных работах, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей атестационной комиссией [14, 17, 18].

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Автором был предложен алгоритм компенсации искажений при непрямолинейном движении платформы, а также проведено теоретическое обоснование алгоритма ТЕТАМ, разработанного совместно с соавторами. Все представленные в диссертации результаты, связанные с разработкой программного обеспечения, проведением экспериментальных исследований и анализом их результатов, получены лично автором.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 114 страниц, включая 33 рисунка и библиографию (79 наименований).

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработан программно-алгоритмический комплекс ЭупАрр, позволяющий загружать реальные сигналы и моделировать тестовые сигналы произвольного количества монохроматических источников, синтезировать апертуру с использованием различных алгоритмов, строить характеристики направленности и сопоставлять результаты с помощью численных критериев.

2. Предложен научно обоснованный критерий оценки эффективности синтеза апертуры, основанный на сравнении трех характеристик направленности: синтезированной апертуры, реальной апертуры того же размера и укороченной реальной апертуры, на базе которой производится синтез, с использованием критерия качества ХН для случая одной цели.

3. На базе комплекса ЗупАрр проведены сравнительные исследования алгоритмов синтеза апертуры на тестовых и реальных сигналах. Для численной оценки результатов введена метрика качества пика — отношение максимума мощности ХН (пика, соответствующего направлению на источник сигнала) к полуширине пика на полувысоте.

На тестовых сигналах для значений ОСШ —5. 5 дБ при синтезировании апертуры вдвое большего размера относительно физической апертуры алгоритм ЕТАМ показал качество пика, сравнимое с качеством пика реальной апертуры того же размера. Аналогичный результат получен на реальных сигналах. Ошибка пеленга при синтезировании апертуры составляла не более 0,2°.

Установлено, что алгоритм ЕТАМ по сравнению с другими алгоритмами является наиболее эффективным для узкополосных сигналов и требует минимум априорной информации. Испытания алгоритма МЕТАМ на реальных сигналах не выявили его существенного преимущества перед алгоритмом ЕТАМ.

4. Предложен алгоритм итеративного уточнения характеристики направленности в случае непрямолинейного движения платформы, позволяющий компенсировать известные отклонения курса платформы для помехосигиаль-ной обстановки, состоящей из одного источника сигнала.

Испытания алгоритма на тестовых сигналах показали, что за 5 итераций достигается сходимость при критерии останова б = Ю-4. При этом качество пика возрастает более чем в 16 раз, а ошибка пеленга уменьшается с 2,60° до 0,04°.

5. Разработан алгоритм синтеза апертуры для широкополосных сигналов—алгоритм ТЕТАМ. Данный алгоритм позволяет осуществлять синтез при наличии нескольких источников сигнала с разными частотными характеристиками. Работоспособность алгоритма подтверждена испытаниями на тестовых и реальных сигналах.

Исследование алгоритма ТЕТАМ на реальных сигналах показало, что при уменьшении размера реальной апертуры в два раза и синтезировании апертуры с помощью алгоритма ТЕТАМ до исходного размера качество пика ХН в 2 раза больше, чем качество пика ХН вдвое уменьшенной апертуры, и составляет 84% от качества пика ХН реальной апертуры.

Заключение

.