Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры
В данной статье рассмотрены основные принципы синтеза апертуры. Представлены данные натурных испытаний в Чёрном море, проведённые в 2006 году с помощью ГБО-100МП. После свёртки более ярко проявились малоразмерные объекты (либо детали донного рельефа). У статті розглянуто основні принципи синтезу апе...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
|---|---|
| Дата: | 2006 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України
2006
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19182 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры / А.И. Гончар, С.И. Донченко, Л.В. Нестеренко, Л.И. Шлычек, А.И. Шундель // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 108-116. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860067851612717056 |
|---|---|
| author | Гончар, А.И. Донченко, С.И. Нестеренко, Л.В. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. |
| author_facet | Гончар, А.И. Донченко, С.И. Нестеренко, Л.В. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. |
| citation_txt | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры / А.И. Гончар, С.И. Донченко, Л.В. Нестеренко, Л.И. Шлычек, А.И. Шундель // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 108-116. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) |
| description | В данной статье рассмотрены основные принципы синтеза апертуры. Представлены данные натурных испытаний в Чёрном море, проведённые в 2006 году с помощью ГБО-100МП. После свёртки более ярко проявились малоразмерные объекты (либо детали донного рельефа).
У статті розглянуто основні принципи синтезу апертури. Надано дані натурних випробувань на Чорному морі, отримані в 2006 р. за допомогою ГБО-100МП. Після згортки яскравіше проявились мало розмірні об’єкти.
In this article the main principles of aperture synthesis are considered. Data of environmental tests in Black sea performed in 2006 using side scan sonar 100MP is presented. After convolution the small objects have been revealed better (or bottom relief details).
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:09:11Z |
| format | Article |
| fulltext |
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
108
УДК 681.883.03
ПОВЫШЕНИЕ РАЗРЕШАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ
ПО НАПРАВЛЕНИЮ ГБО ЗА СЧЕТ СИНТЕЗА АПЕРТУРЫ
© А.И. Гончар, С.И. Донченко, Л.В. Нестеренко, Л.И. Шлычек, А.И. Шундель, 2006
Научно-технический центр панорамных акустических систем НАН Украины, г. Запорожье
У статті розглянуто основні принципи синтезу апертури. Надано дані натурних випробувань на
Чорному морі, отримані в 2006 р. за допомогою ГБО-100МП. Після згортки яскравіше проявились мало
розмірні об’єкти.
В данной статье рассмотрены основные принципы синтеза апертуры. Представлены данные натурных
испытаний в Чёрном море, проведённые в 2006 году с помощью ГБО-100МП. После свёртки более ярко
проявились малоразмерные объекты (либо детали донного рельефа).
In this article the main principles of aperture synthesis are considered. Data of environmental tests in Black sea
performed in 2006 using side scan sonar 100MP is presented. After convolution the small objects have been revealed
better (or bottom relief details).
Успешное решение ряда важных стратегических, навигационно-гидрографических и
народнохозяйственных задач зависит от наличия достоверной информации о рельефе дна и
лежащих на нем объектах.
В связи с этим в исследованиях Мирового океана все большее место занимает
изучение рельефа дна, причем не только континентального шельфа, но и дна морей и
океанов на больших глубинах [1, 2].
Одним из наиболее эффективных средств площадного обследования дна больших
акваторий являются гидролокаторы бокового обзора (ГБО), обладающие высокой
производительностью (величина обследуемой площади в единицу времени) и разрешающей
способностью, позволяющие получать гидролокационное изображение дна, подобное
фотографическому, с различной степенью детальности.
Гидролокационное изображение дна, полученное с помощью ГБО, позволяет увидеть
и оценить особенности рельефа различной пространственной протяженности: большие
подводные каньоны, хребты, локальные выходы коренных пород, отдельные обломки и
микрорельефы донных осадков, заполняющих коренные породы.
Совмещение полученных синхронно записей ГБО и гидроакустического
профилографа позволяет судить о распределении форм рельефа на обследуемой площади, а
также выявить геологические причины их возникновения. Эти данные используются при
поиске нефти и газа, а также твердых полезных ископаемых.
ГБО являются также незаменимым средством при выполнении поисковых и
спасательных работ.
Вместе с тем, они обладают одним существенным недостатком – их разрешающая
способность по дальности и азимуту (направлению) неодинакова, так что гидролокационное
изображение объектов оказывается искаженным [1, 2].
Для получения же достоверной информации о рельефе дна и лежащих на нем
объектах ГБО должен обладать одинаковой и достаточно высокой разрешающей
способностью как по дальности, так и по направлению.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
109
Разрешающая способность по дальности определяется длительностью зондирующего
импульса τ и углом наблюдения φ (углом скольжения акустического луча)
Д
c
R
2cos
τ
∆ =
ϕ
,
функция cos ϕ — нелинейная, в связи с чем
Д
R∆ по диапазону развёртки нелинейная.
Но с помощью математических преобразований может быть приведена к линейной
(путём домножения на cos ϕ (а f (t)ϕ = )).
Минимальное τ определяется полосой пропускания приёмного тракта f∆
1,37
f
τ =
∆
.
Ограничения на f∆ накладывает антенна, у которой f∆ без специальных мер к
расширению (а при этом ухудшается чувствительность) составляет 6 – 10 % от fраб, т.е.
максимально достижимая разрешающая способность по дальности зависит от частоты.
Разрешающая способность по направлению определяется дистанцией и шириной
характеристики направленности (ХН) антенны в горизонтальной плоскости θ и равна
H
R R∆ = θ . Ширина ХН определяется линейными размерами l и рабочей частотой f и
определяется из соотношения
2c
f
1, 425 sin
2
=
θπ
l
2c
arcsin
2 1, 425 f
θ
=
πl
В связи с этим, исследования технических путей достижения высокой разрешающей
способности не только по дальности, но и по направлению, и создания ГБО с одинаково
высокой разрешающей способностью по дальности и направлению в целях получения
подробного гидролокационного изображения рельефа дна океанов и морей с высокой
производительностью для поиска и обнаружения донных технических объектов, в том числе
затонувших судов, подводных лодок и подводных аппаратов, обеспечения навигационной
безопасности судоходства, изучения геологического строения дна и поиска полезных
ископаемых, чрезвычайно актуальны. Одним из способов увеличения разрешающей
способности по направлению является синтез апертуры (свёртка по направлению) [1, 2].
Процесс синтезирования апертуры поясняется рис. 1. Носитель движется вдоль оси Y
со скоростью V, диаграмма направленности (ДН) имеет в плоскости YZ ширину θ на уровне
3 дБ. При обработке сигнала бокового обзора имеем в пределах ДН элемент разрешения
длиной:
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
110
L Rk k= θ , (1)
где kR – наклонная дальность до элемента kQ ;
θ – ширина ДН на уровне 3 дБ.
Рисунок 1.
Распределение (модуляция) фазы отраженного от элемента kQ сигнала вдоль линии
kL определяется зависимостью [3]:
( )s 2 2t 2 v t / Rk kϕ = π λ ,
L Lk kt
2v 2v
− ≤ ≤ + , (2)
где λ – рабочая длина волны;
v – скорость движения носителя.
Введем дискретизацию по времени t pTç= с шагом в период зондирования, при этом
участок Qk разобьется на P L / vTçk k= элементов q, k, p, а выражение (2) примет вид:
( )
2
s 2 2 k
ç k
P
k, p 2 v T p / R
2
ϕ = π − λ
, k0 p P≤ ≤ . (3)
В общем случае отражённый от дна сигнал в каждом периоде зондирования для
любой наклонной дальности R можно считать суммой элементарных сигналов, отражённых
элементарными, подобными точечным целям, участками поверхности дна, лежащими в
пределах раскрыва диаграммы направленности антенны и плоскости дна, соответствующей
разрешающей способности по дальности
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
111
( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ }22
ç i ç i ç i ã ç i i i
i i
S R, pT S pT U G pT t exp j 4 V pT t / R
•
= = − ⋅ − π − λ − Ψ
∑ ∑ , (4)
где R – наклонная дальность;
çpT – период зондирования;
iU – амплитуды отражённых сигналов;
i i ãt X / V= – временной сдвиг;
2 2
i i 0R X h= + – минимальное расстояние до отражателя;
0h – глубина под антенной;
i i i4 / RΨ = π λ + ϕ – постоянная для данного отражателя неизвестная начальная фаза;
iϕ – фаза переотражения.
До поступления в цифровую систему обработки принятый сигнал, представляющий
смесь отраженного сигнала и шума, дискретизируется по дальности и амплитуде с помощью
АЦП [3].
По существу, дискретизация принятого сигнала как по координате, пройденного пути,
так и по наклонной дальности R, является дискретизацией по времени с той лишь разницей,
что дискретизация по направлению (пройденному пути) соответствует периоду
зондирования и появляется в связи с импульсным характером работы ГБО, а дискретизация
по наклонной дальности соответствует дискретизации по времени внутри периода
зондирования с шагом R1/ f∆τ = и возникает при преобразовании аналогового сигнала в
цифровой.
Цифровой сигнал при этом становится функцией двух независимых дискретных
аргументов и представляется своими действительной и мнимой составляющими
{ } { } { }c sU m, p U m, p jU m,p
•
= + , (5)
где m=0,1,2…NR-1 – номер отсчета принятого сигнала по дальности;
р=0,1,2…N – номер отсчета периодов зондирования.
Процесс получения двумерного изображения включает реализацию соотношений для
каждого m-го отсчета по наклонной дальности
{ } { } { }
N / 2
p N / 2
J m,q U m,p q h m, p
• •
=−
= +∑ , (6)
или
{ } { } { }
N / 2
p N / 2
J m,q U m,q p h m,p
• •
=−
= −∑ , (7)
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
112
где { }h m, p
•
– цифровая опорная функция
{ } { } { } { } ( ) ( ){ }
c s
2
ç ã ç mh m, p h m, p jh m,p H pT exp j2 V pT / R
•
= + = π λ
, (8)
соответствует наклонной дальности до каждой m-й полоски дальности
m 1R R m R= + ∆ , (9)
q=0,±1,±2… – номер отсчета сигнала получаемого гидролокационного изображения
по азимуту;
{ }çH pT – весовая функция, вид которой определяется при оптимизации системы
обработки [1, 2].
Опорная функция { }h m, p
•
симметрична относительно отсчета N/2, следовательно,
можно записать
{ } { } { }
N 1
p 0
J m,q U m,p q h m,p
− • •
=
= +∑ , (10)
или
{ } { } { }
N 1
p 0
J m,q U m,q p h m,p
− • •
=
= −∑ , (11)
где
{ } ( ) ( ) ( )( )22 2
ç ã ç mh m, p H p N / 2 T exp j2 V p N / 2 T / R
•
= − π − λ
. (12)
Математическое выражение (10) описывает процесс цифрового синтезирования
апертуры антенны для m-го отсчета по дальности принятого цифрового сигнала [1, 2].
Алгоритм синтезирования апертуры имеет вид:
( ) ( ) ( )
k 1 s
2P
i k,ps
p 0
E k, m U e S k,m p
−
ϕ
=
= ⋅ +∑ , к=0, 1, 2… m=0, 1, 2… , (13)
где ( )si k,psU e ϕ – опорная функция;
sU – масштабный коэффициент;
( )S k,m – принятый сигнал.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
113
Он может быть выполнен в принципе несколькими способами (прямой свертки,
быстрой свертки, гармонического анализа), алгоритмы обработки которыми существенно
отличаются друг от друга, поэтому различными оказываются и структуры системы
обработки, реализующие эти алгоритмы.
Структурные схемы таких устройств, используемых в радиолокации, подробно
описаны в [3].
На рис. 2 - 7 представлен результат моделирования синтеза апертуры. При
синтезировании апертуры приняты исходные данные: рабочая частота f=100 кГц, угол ДН
θ=1,4°,средняя наклонная дальность R=200 м, скорость движения носителя v=3 м/с, период
зондирования Т=0,266 с. При этом ширина несинтезированной апертуры антенны
L R 4,88= θ = м, а синтезированной vT 0,8= м, т.е. ширина ХН уменьшилась примерно в
6 раз ( 4,88R θL = = 6v T v T 0,8
⋅ ≈⋅ ⋅ ) и составляет 0,23°, а разрешающая способность
R 0,8θ ≈ м с синтезированной апертурой и R 4,88θ ≈ м без синтеза. Разрешающая
способность по дальности равна
6c 1500 100 10
0,075
2 2
−τ ⋅ ⋅
= = м.
Количество реализаций, участвующих в свёртке, определяется выражением
R θP= =6v T
⋅
⋅ . Как видно из этого выражения, что уменьшение скорости движения антенны
приводит к увеличению числа реализаций, участвующих в синтезе. Так для наших данных
при v=2 м/с — P=9, а при v=1 м/с — P=18.
Рассмотрим случай для антенны с широкой диаграммой направленности θ=3°, для
большой наклонной дальностью R=2 км и низкой частоты зондирования f=12 кГц. При этом
период зондирования равен Т=2,68 с, Rθ=104,7 м. В табл. 1 приведены все данные,
касающиеся синтеза данной антенны.
Таблица 1.
v, м/с vT, м Rθ/vT θc, град
3 8,00 13,10 0,23
2 5,33 19,64 0,15
1 2,67 39,21 0,08
Как видно из табл. 1, применение антенны с более широкой диаграммой
направленности и на более больших диапазонах приводит к более значительному
улучшению характеристик синтеза: увеличивается число реализаций участвующих в синтезе,
значительно уменьшается ширина диаграммы направленности и, как следствие, улучшается
разрешающая способность по направлению.
Рассмотрим отдельный пример выявления лежащих на дне затонувших, опасных в
навигационном отношении, объектов отдельного участка дна Чёрного моря.
На рис. 2 представлена эхограмма, полученная в 2006 году ГБО-100 МП. На ней в
верхней части виден один протяжённый объект искусственного происхождения.
Для улучшения гидролокационного изображения этого участка дна использована
свертка по направлению (синтез апертуры), суть которой описана выше.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
114
Рис. 2. – Исходная эхограмма
На рис.3 изображена эта же эхограмма, что и на рис. 2, но после свертки по
направлению
Рис. 3. – Эхограмма после свёртки по направлению
На эхограмме после свёртки (рис. 3) более ярко проявились слабовыраженные на
исходной эхограмме (рис. 2) малорозмерные объекты (или детали донного рельефа)
На рис.4 представлено объёмное изображение сигнала от затонувшего объекта,
находящегося в верхней части исходной эхограммы.
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
115
Рис. 4. – Объёмное изображение сигнала от большого объекта
На рис. 5 представлено объемное изображение сигналов двух фрагментов
слабовыраженных объектов (или деталей донного рельефа), проявившихся после свертки по
направлению.
Рис. 5. - Объёмное изображение сигнала от малоразмерных объектов
(или деталей донного рельефа)- два фрагмента
м
м
м
м
Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану), 2006 (№ 3)
116
На рис. 6 и 7 - фрагмент исходной эхограммы и объемное изображение эхо-сигналов
этого фрагмента.
Рис. 6. – Фрагмент эхограммы Рис. 7 – Объёмное изображение сигнала
Как видно из приведенных выше примеров применение свёртки по направлению
(синтеза апертуры) к исходной эхограмме увеличивает качество гидролокационного
изображения последней: искусственные объекты принимают более яркую чёткую форму,
слабовыраженные на исходной эхограмме малоразмерные объекты (или детали донного
рельефа) проявляются более ярко. Использование математической среды MatLab даёт
возможность представлять эхо-сигнал в 3D изображении.
Литература
1. Гидроакустические методы и средства исследования дна Мирового Океана / Гончар А.И.,
Шлычек Л.И., Голод О.С. и др. – Запорожье: НТЦ ПАС НАН Украины, 2002. - 222 с.
2. Гончар А.И. Проблема создания высокоэффективных многоцелевых гидролокаторов бокового
обзора. – Запорожье: НТЦ ПАС ИППЭ НАН Украины, 1998. – 142 с.
3. Антипов В.Н., Горяинов В.Т. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры
антенны. – М.: Радио и связь, 1988.
м
м
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-19182 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1815-8277 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:09:11Z |
| publishDate | 2006 |
| publisher | Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Гончар, А.И. Донченко, С.И. Нестеренко, Л.В. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. 2011-04-20T22:41:40Z 2011-04-20T22:41:40Z 2006 Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры / А.И. Гончар, С.И. Донченко, Л.В. Нестеренко, Л.И. Шлычек, А.И. Шундель // Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану): Зб. наук. пр. — Запоріжжя: НТЦ ПАС НАН України, 2006. — № 3. — С. 108-116. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 1815-8277 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19182 681.883.03 В данной статье рассмотрены основные принципы синтеза апертуры. Представлены данные натурных испытаний в Чёрном море, проведённые в 2006 году с помощью ГБО-100МП. После свёртки более ярко проявились малоразмерные объекты (либо детали донного рельефа). У статті розглянуто основні принципи синтезу апертури. Надано дані натурних випробувань на Чорному морі, отримані в 2006 р. за допомогою ГБО-100МП. Після згортки яскравіше проявились мало розмірні об’єкти. In this article the main principles of aperture synthesis are considered. Data of environmental tests in Black sea performed in 2006 using side scan sonar 100MP is presented. After convolution the small objects have been revealed better (or bottom relief details). ru Науково-технічний центр панорамних акустичних систем НАН України Гідроакустичний журнал (Проблеми, методи та засоби досліджень Світового океану) Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры Підвищення розрізнювальної здатності по напрямку ГБО за рахунок синтезу апертури Article published earlier |
| spellingShingle | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры Гончар, А.И. Донченко, С.И. Нестеренко, Л.В. Шлычек, Л.И. Шундель, А.И. |
| title | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры |
| title_alt | Підвищення розрізнювальної здатності по напрямку ГБО за рахунок синтезу апертури |
| title_full | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры |
| title_fullStr | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры |
| title_full_unstemmed | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры |
| title_short | Повышение разрешающей способности по направлению ГБО за счет синтеза апертуры |
| title_sort | повышение разрешающей способности по направлению гбо за счет синтеза апертуры |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/19182 |
| work_keys_str_mv | AT gončarai povyšenierazrešaûŝeisposobnostiponapravleniûgbozasčetsintezaapertury AT dončenkosi povyšenierazrešaûŝeisposobnostiponapravleniûgbozasčetsintezaapertury AT nesterenkolv povyšenierazrešaûŝeisposobnostiponapravleniûgbozasčetsintezaapertury AT šlyčekli povyšenierazrešaûŝeisposobnostiponapravleniûgbozasčetsintezaapertury AT šundelʹai povyšenierazrešaûŝeisposobnostiponapravleniûgbozasčetsintezaapertury AT gončarai pídviŝennârozríznûvalʹnoízdatnostíponaprâmkugbozarahunoksintezuaperturi AT dončenkosi pídviŝennârozríznûvalʹnoízdatnostíponaprâmkugbozarahunoksintezuaperturi AT nesterenkolv pídviŝennârozríznûvalʹnoízdatnostíponaprâmkugbozarahunoksintezuaperturi AT šlyčekli pídviŝennârozríznûvalʹnoízdatnostíponaprâmkugbozarahunoksintezuaperturi AT šundelʹai pídviŝennârozríznûvalʹnoízdatnostíponaprâmkugbozarahunoksintezuaperturi |