Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації

The problems of the algorithmic base development on the basis of the methods which allow calculating exactly the frequency and phasing parameters of a signal consisting harmonic components for the active sonar systems are examined. Рассмотрены проблемы создания скоростной алгоритмической базы для си...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Комп’ютерні засоби, мережі та системи
Дата:	2014
Автор:	Безвербний, І.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України 2014
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84835
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:	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації / І.А. Безвербний // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 102-108. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859615191819354112
author	Безвербний, І.А.
author_facet	Безвербний, І.А.
citation_txt	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації / І.А. Безвербний // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 102-108. — Бібліогр.: 15 назв. — укр.
collection	DSpace DC
container_title	Комп’ютерні засоби, мережі та системи
description	The problems of the algorithmic base development on the basis of the methods which allow calculating exactly the frequency and phasing parameters of a signal consisting harmonic components for the active sonar systems are examined. Рассмотрены проблемы создания скоростной алгоритмической базы для систем активной гидролокации на основе методов, позволяющих точно определять частотно-фазовые параметры сигналов, состоящих из гармонических составляющих. Розглянуто проблеми створення швидкісної алгоритмічної бази для систем активної гідролокації на основі методів, що дозволяють точно визначати частотно-фазові параметри сигналів, які складаються з гармонічних складових.
first_indexed	2025-11-28T18:25:05Z
format	Article
fulltext	Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 102 I. Bezverbnyi THE FREQUENCY PHASE ANALYSIS ALGORITHMIC BASE IN THE SONAR SYSTEMS The problems of the algorithmic base development on the basis of the methods which allow calculating exactly the frequency and phasing parameters of a signal consisting harmonic components for the active sonar systems are examined. Key words: sonar systems, bit net, tonal analysis. Рассмотрены проблемы создания скоростной алгоритмической ба- зы для систем активной гидроло- кации на основе методов, позво- ляющих точно определять час- тотно-фазовые параметры сиг- налов, состоящих из гармониче- ских составляющих. Ключевые слова: системы гидро- локации, разрядная сетка, то- нальный анализ. Розглянуто проблеми створення швидкісної алгоритмічної бази для систем активної гідролокації на основі методів, що дозволяють точно визначати частотно-фа- зові параметри сигналів, які скла- даються з гармонічних складових. Ключові слова: системи гідроло- кації, розрядна сітка, тональний аналіз.  І.А. Безвербний, 2014 УДК 004.383.3 І.А. БЕЗВЕРБНИЙ АЛГОРИТМІЧНА БАЗА ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО АНАЛІЗУ У СИСТЕМАХ ГІДРОЛОКАЦІЇ Вступ. Задача пеленгування і захисту від пе- ленгування підводних об’єктів за допомогою низькочастотних звукових сигналів є важли- вим напрямком технічної акустики. На сьо- годні широко використовуються як системи активної гідролокації, яка дозволяє визнача- ти підводний об’єкт за допомогою відбиття та розсіювання спеціально випроміненого сигналу, так пасивної, так званого шумопе- ленгування, тобто дослідження структури звукового поля. Попри зрозумілі переваги систем пасивної гідролокації, висока ефекти- вність систем активної гідролокації на сього- дні обумовлює подальше їх використання і вдосконалення. Зокрема, розробка швидкіс- ної алгоритмічної бази для систем активної гідролокації є питанням актуальним з огляду на збільшення вимог до розпізнавання підво- дних об’єктів. Слід зауважити, що системи активної гідролокації здебільшого викорис- товують зондувальні тональні сигнали. Ступінь розробки. Прикладом викорис- тання тональних сигналів і методів, подібних чисельно-аналітичним методам фазового і частотно-фазового аналізу [1–5] в сучасних системах гідролокації, можуть слугувати ал- горитмічні розробки для малої системи гідро- локації [6]. Та ж алгоритмічна база викорис- товується для визначення гасіння звукової хвилі, що розглядається в роботах [7, 8]. Зага- лом, зазначені системи гідролокації розробля- лися на основі процесорних систем з фіксова- ною точкою, тому розрахунок необхідного запасу розрядної сітки n∆ для нерекурсивних алгоритмів [9–11], тобто визначення кілько- сті додаткових розрядів, необхідних для збіль- АЛГОРИТМІЧНА БАЗА ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО… Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 103 шення розрядності вхідних даних під час обчислення результату із заздалегідь визначеною помилкою, є частиною алгоритмічної бази фазочастотного аналізу. Метою статті є розробка алгоритмічної бази частотно-фазового аналізу в системах гідролокації, що передбачає визначення точності методів, отриманих на основі аналітичних співвідношень, коли обчислення відбувається з машин- ною помилкою. Частотно-фазова демодуляція багатотонального сигналу. Метод розроб- лено на основі чисельно-аналітичного методу демодуляції цифрового двото- нального сигналу [4]. Задача розв’язується шляхом побудови і вирішення аналогічної системи з m⋅2 рівнянь, яке відбувається за допомогою «процесу» Зейделя. Система рівнянь приводиться до вигляду, в якому кожне з невідомих буде представлено через інші невідомі. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )           ω⋅ω⋅ ω⋅ =θ ω⋅ω− ω⋅ω⋅ω−ω =ω ... . 5,0tg 5,0tgarctg ... ; 1 arccos ... вх вх 2,1 2,1вх ii i i ii iiii i P RK CRKB (1) Кількість ітерацій, необхідна для вирішення таких систем, менша за 4·102. Зна- чення ( )iB ω , ( )iC ω , ( )iK ω – константи закладені в пам’яті процесора, кількість цих констант відповідає роздільній здатності частотного аналізатора. Необхід- ний запас розрядної сітки алгоритму частотної демодуляції однотонального сиг- налу для ЕОМ з фіксованою точкою за умови високоточного методу визначення тригонометричних функцій розраховується за формулою:      ⋅≥∆ S Rn 22 1 log , (2) де ( ) ( ) 1 1 2 2 2 ˆ1 ˆ ˆ1 ˆ ˆ1 min min 2 min min min +                   − +− ⋅ π⋅ = ⋅− ⋅− ⋅− ⋅⋅− ⋅− hx gxd hx hgxd hx g NR ; (3) ( ) ( ) 2 2 ˆ1 ˆ ˆ1 ˆ ˆ1 min min 2 min min min 1 2 2                   − +− ⋅ π⋅ ⋅δ⋅= ⋅− ⋅− ⋅− ⋅⋅− ⋅− hx gxd hx hgxd hx g NS . (4) Аналіз необхідного запасу розрядної сітки алгоритму показав, що для роботи з процесорною системою з плаваючою точкою при розрядності 16 біт, алгоритм дозволяє отримати результат з дуже малою помилкою. І.А. БЕЗВЕРБНИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 104 Аналогічно обчислюється необхідний запас розрядної сітки алгоритму фа- зової демодуляції однотонального сигналу для ЕОМ з фіксованою точкою:      ⋅≥∆ S Rn 22 1 log , (5) де ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 1 1ˆRe ˆIm 1ˆRe 2 ˆRe ˆIm2 maxˆRe ˆIm max max 2 2 max 2 2 +                     +⋅⋅ ⋅ −       +⋅⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ xv xu xv xu xv xu xv uR ; (6) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 ˆRe ˆIm2 maxˆRe ˆIm max max 2 2 max 2 2 1ˆRe ˆIm 1ˆRe 2                     +⋅⋅ ⋅ −       +⋅⋅ ⋅δ⋅= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ xv xu xv xu xv xu xv uS . (7) В даному випадку, для отримання результату з дуже малою помилкою необхід- ний запас розрядної сітки складає 16 біт. За цією схемою обчислюються параме- три наведених далі гідроакустичних приладів. Низькочастотна акустична вимірювальна cистема (НЧАВС). Ступінь розробки. Основою методів вимірювання коефіцієнта відбиття звуку в акустич- них вимірювальних трубах є теорія поширення і відбиття пласких звукових хвиль, що нормально падають на пласку межу розділу середовищ. Згідно з мето- дом, який використано в системі, коефіцієнт відбиття визначається як відношен- ня показників тиску, отриманих у результаті проходження прямої та відбитої хвиль. Вимірювання здійснюються в полі стоячої хвилі. Це досягається шляхом формування за допомогою двох гідрофонів і спеціального фазообертального пристрою кардіоїдної діаграми направленості. Перша НЧАВС із цифровою об- робкою сигналів і реалізацією алгоритмів однонаправленого прийому була опи- сана в [15]. Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України спільно з КДНДІ “Гідроприлад” розробили НЧАВС для проведення досліджень в галузі технічної акустики за методом акустичної інтерферометрії [8, 13, 14]. Призначення системи. Дослідження таких акустичних характеристик як коефіцієнт відбиття R і коефіцієнт проходження матеріалів D виконується за допомогою акустичних труб імпульсним методом [12] і методом стоячих хвиль [8, 15]. В низькочастотній області 4<f кГц через обмеження конструктивного характеру щодо розмірів труби застосовується метод стоячих хвиль з непере- рвним збудженням акустичного поля в стовпі води. Обробка сигналів здійсню- ється за допомогою двох приймачів, розташованих між випромінювачем і зраз- ком у заповненій водою трубі. При цьому, відомими є значення частоти ω і швидкості звуку c та відстань між приймачами λd , приймачем і зразком r . Ре- зультати вимірювань R є чутливими щодо помилок визначення напруг, що ре- АЛГОРИТМІЧНА БАЗА ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО… Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 105 єструються приймачами. За допомогою коефіцієнта відбиття як функції частоти за різноманітних значень температури T і тиску P описуються властивості від- биття матеріалів у воді. Отримання великої кількості інформації про властивості відбиття матеріалів у воді з необхідною точністю і в стислий термін можливе тільки за повної автоматизації процесу вимірювань на базі цифрових методів обробки сигналів. Схема роботи інтерферометра показана на рис. 1. РИС. 1. Схема роботи інтерферометра Фазовий аналіз у гідроакустичному інтерферометрі. Стояча хвиля, утво- рена у вимірювальній трубі інтерферометра має такий вигляд: ( )θ+ω+ω= ιιιιιωµ nTaRnTau n coscos,, , (8) де ( )       Θ+ +δ− ω=θ ι µυµ ι C rd 22 , , (9)    ≠µ =µ =δµ .3,0 ;3,1 3, (10) Швидкість звуку 12 122 ω−ω ω⋅ω ⋅⋅= dC , (11) де d – відстань між двома гідрофонами модуля коефіцієнта відбиття 1−= tt aR . (12) Фаза коефіцієнта відбиття знаходиться за формулою ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( ) C rd GR GjF it ii t 22 Re ReRearccos1 , +δ− − ω⋅ ω−ω⋅ ⋅ ω =Θ µυµ ι ; (13) І.А. БЕЗВЕРБНИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 106 ( )( ) ( ) ( )       ⋅⋅ω ⋅=ω⋅ ∑ − −−= υωµ N TnujF i N Nn i cosRe 21 21 ,, ; (14) ( )( ) ( ) ( )       ⋅ω∆⋅ + ⋅ω ⋅ ⋅ω∆⋅+⋅ω +       ⋅ω∆⋅ ⋅ ⋅ω∆⋅ =ω N T N T TT N T TG ii ii i i i 5,0sin2 5,0sin 5,0sin2 5,0sinRe . (15) Характеристики точності та аналіз розрядності алгоритму. За методами, розглянутими в [9–11], необхідний запас розрядної сітки      ⋅≥∆ S Qn 22 1 log , (16) де 1 ˆ 1 2 22 min +                           − −⋅ −⋅⋅ −= u R vvxwR vQ , (17) 2 22 minˆ 1 2                           − −⋅ −⋅⋅ −⋅δ⋅= u R vvxwR vS , (18) ( ) C rd u 22 , +δ− = µυµ , ( )( )ii ffGv ∆= ,Re , ιω=w можливі константи, які закла- даються в пам’яті цифрового приладу. Мала cистема гідролокації (МСГ) є активною гідроакустичною системою і складається з: ● корпусно-механічної частини (металевого циліндра з термоізоляційною оболонкою, що знаходиться в морі на глибині 10 метрів; ● аналогової акустичної підсистеми з 16 випромінювачів направленої діагра- ми направленості, 16 гідрофонів, розташованих рівновіддалено на директрисах циліндра, і апаратури аналогової обробки; ● багатопроцесорної підсистеми частотно-фазового аналізу вхідного тональ- ного сигналу в режимі реального часу, що складається з восьми процесорів ADSP2188 і процесорної підсистеми цифрового зв’язку та кодування інформа- ційних даних і символів управління, яка міститься в середині циліндра; ● цифрової системи зв’язку підсистеми частотнофазового аналізу і підсисте- АЛГОРИТМІЧНА БАЗА ЧАСТОТНО-ФАЗОВОГО… Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 107 ми управління з однопроцесорної системи кодування-декодування команд управління і гермоводу; ● підсистеми управління і візуалізації на базі персональної ЕОМ. Аналогова обробка вихідних сигналів гідрофонів виконується підсилювачем пря- мого підсилення, аналогічним до того, що розглядався у гідроакустичному інтер- ферометрі. Підсилювальні канали також мають точносні параметри, подібні до тих, які зазначалися щодо роботи з гідроакустичном інтерферометром. Пристрої збудження акустичних випромінювачів також мають ідентичні особливості. Схе- ма роботи МСГ показана на рис. 2. РИС. 2. Схема роботи МСГ Частотно-фазовий аналіз у малій ситемі гідролокації. Сигнал, що надхо- дить на відповідний за напрямком гідрофон має вигляд: ( )       θ+⋅⋅      Ω⋅ ∆⋅ +ω⋅=⋅ λ Tn C vATnf r2cos . (19) Відстань та швидкість в напрямку руху тонального сигналу:       Θ− ω θ = 2 Cr , (20) ω ω−Ω ⋅= λCv , (21) де ω – кутова частота отриманого сигналу, λΩ – кутова частота сигналу, що ви- ходить з випромінювача, rv∆ – радіальна складова швидкості, T – період дискре- тизації, C – швидкість звуку. В результаті аналітичних перетворень, що базуються на системі рівнянь (1), отримані співвідношення, які дозволяють отримати параметри підводного об’єкта: І.А. БЕЗВЕРБНИЙ Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 108 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) λΩ⋅ ∆⋅ − ω⋅ω− ω⋅ω⋅ω−ω =ω C v DK CDKB r ii iiii 2 Im1 Imarccos , (22) ( ) ( )( ) ( ) ( )( )ii i A A ω⋅ω⋅ ω⋅ω⋅ =θ Re5,0tg Im5,0tgarctg . (23) Висновки. Системи розроблені на елементній базі: процесор ADSP2181, сіг- ма-дельта АЦП AD7715 та програмного продукту Delphi 7 фірми Borland Enterprices. Система керування функціонує з використанням ПК з операційною системою Windows XP. Використання розробленої алгоритмічної бази частотно- фазового аналізу в системах гідролокації показало свою придатність і ефектив- ність у роботі. 1. Семотюк М.В. Численно-аналитический метод спектрального анализа тональных сиг- налов // УСіМ. – 2001. – № 1. – C. 36 – 42. 2. Безвербний І.А. Частотний демодулятор з використанням дискретного перетворення Фур’є // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2004. – С. 72 – 79. 3. Безвербний І.А. Чисельно-аналітичний метод цифрового фазового аналізу однотональних сигналів // Там само. – 2004. – С.41 – 47. 4. Безвербний І.А. Рекурсивний метод частотнофазового аналізу двотонального частотно- маніпульваного сигналу // Математичні машини і системи. – 2006. – № 4. – С. 164 – 173. 5. Безвербний І.А. Чисельно-аналітичний метод демодуляції тональних сигналів // УСіМ. – 2005. – № 4. – C. 19 – 25. 6. Безвербний І.А. Використання методів паралельного частотнофазового аналізу в гідроа- кустиці // Збірник праць конференції «Укробраз». – 2011. – С. 38 – 43. 7. Безвербний І.А. Чисельно-аналітичні методи частотно-фазового аналізу тональних сигна- лів у низькочастотній акустичній вимірювальній системі // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2010. – № 9. – С. 39 – 46. 8. Лейко А.Г., Гулега Л.Г., Зацерковский Р.А. и др. Измерительный комплекс низкочастот- ной акустической трубы с цифровой обработкой сигналов. http://hydromech. com. ua/ rus/ WWW-CONS/2005/CONS2005_221-224.PDF 9. Точность вычислительных устройств и алгоритмов / [Соренков Э.И., Телига А.И., Ша- талов А.С.]; под ред. А.С. Шаталова. – М.: Машиностроение, 1976. – 200 с. 10. Желнов Ю.А. Точностные характеристики управляющих машин. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 136 с. 11. Люстерник Л.А., Червоненкис О.А., Янпольский А.Р. Математический анализ. Вычисле- ние элементарных функций. – М.: ГИФМЛ, 1963. – 248 с. 12. Агеева Н.С. Измерение акустических параметров материалов на ультразвуковых частотах при помощи импульсной трубы //Акустический журнал. – 1955. – Т.1, № 2. – С. 110 – 120. 13. Шамарин А.Ю., Лановой Ю.И., Мальцев А.М. Особенности конструктивной реали- зации низкочастотной акустической измерительной системы http://hydromech. com. ua/rus/WWW-CONS/2005/CONS2005_301-304.PDF 14. Шамарин Ю.Е., Гулега Л.Г., Лейко А.Г. и др. Низкочастотный акустический интерферо- метр. ://hydromech.com.ua/rus/WWW-CONS/2005/CONS2005_305-308.PDF 15. Вовк А.Е., Климов С.П., Тютенин В.В. Измерение коэффициента отражения звука в аку- стических трубах с применением однонаправленной системы приема // Измерительная техника. – 1975. – № 7. – С. 76. Одержано 15.04.2014 http://hydromech/ http://hydromech/
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84835
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1817-9908
language	Ukrainian
last_indexed	2025-11-28T18:25:05Z
publishDate	2014
publisher	Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
record_format	dspace
spelling	Безвербний, І.А. 2015-07-16T06:11:36Z 2015-07-16T06:11:36Z 2014 Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації / І.А. Безвербний // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 102-108. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84835 004.383.3 The problems of the algorithmic base development on the basis of the methods which allow calculating exactly the frequency and phasing parameters of a signal consisting harmonic components for the active sonar systems are examined. Рассмотрены проблемы создания скоростной алгоритмической базы для систем активной гидролокации на основе методов, позволяющих точно определять частотно-фазовые параметры сигналов, состоящих из гармонических составляющих. Розглянуто проблеми створення швидкісної алгоритмічної бази для систем активної гідролокації на основі методів, що дозволяють точно визначати частотно-фазові параметри сигналів, які складаються з гармонічних складових. uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації The frequency phase analysis algorithmic base in the sonar systems Article published earlier
spellingShingle	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації Безвербний, І.А.
title	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації
title_alt	The frequency phase analysis algorithmic base in the sonar systems
title_full	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації
title_fullStr	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації
title_full_unstemmed	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації
title_short	Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації
title_sort	алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84835
work_keys_str_mv	AT bezverbniiía algoritmíčnabazačastotnofazovogoanalízuusistemahgídrolokacíí AT bezverbniiía thefrequencyphaseanalysisalgorithmicbaseinthesonarsystems

Алгоритмічна база частотно-фазового аналізу у системах гідролокації

Репозитарії

Схожі ресурси