УДК 681.883.46.001.57
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ ОБНАРУЖЕНИЯ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ
В. Ф. Емельяненко, Е. Н. Каленов
Дано описание модели гидроакустической станции обнаружения морских объектов по их шумоиз-лучению, предназначенной для имитации потоков входных воздействий в составе комплекса моделирования многопозиционных систем гидроакустического мониторинга морских акваторий. Предложена структура обнаружителя и приведены выражения для расчета вероятности правильного обнаружения объектов и ошибок их пеленгования. Дано краткое описание методики имитации входных воздействий.
Ключевые слова: модель, имитация, гидроакустическая станция.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке сложных многопозиционных систем гидроакустического мониторинга обстановки требуется проведение множества экспериментальных исследований для оптимизации структуры и параметров такой системы, а также процессов ее функционирования. Создание для этих целей макетов и проведения их испытаний в натурных условиях оказывается чрезвычайно затратным. Альтернативой натурным испытаниям является математическое моделирование, обеспечивающее проведение исследований различных вариантов построения систем и получение достаточно корректных оценок их основных параметров. Важной составной частью таких математических моделей является модель одиночного обнаружителя, которая должна в широком диапазоне внешних условий адекватно имитировать результаты обнаружения морских объектов.
Имитационная модель гидроакустической станции (ИМ ГАС) обнаружения морских объектов предназначена для выработки потоков входных воздействий для оптимизации состава и алгоритмов функционирования многопозиционной системы ГАС.
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ГАС
Рассматриваемая имитационная модель ИМ ГАС, реализованная в виде программного комплекса, является самостоятельной составной частью комплекса моделирования многопозиционных систем ГАС.
Модель построена по модульному принципу.
Схема построения имитационной модели ГАС приведена на рис. 1.
МОДУЛЬ СИСТЕМЫ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
Модуль СГР производит расчет потерь на распространение гидроакустических сигналов от морского объекта до приемной гидроакустической антенны с учетом вертикального распределения скорости звука в районе, коэффициентов отражения от поверхности и дна, горизонтов расположения источника и приемника в рабочих диапазонах частот.
Результаты расчета модулем СГР используются в модулях расчета вероятности обнаружения и ошибок пеленгования.
При реализации модуля СГР применены известные отечественные методики без их изменения и здесь они не описываются.
Рис. 1. Схема имитационной модели функционирования ГАС
Рис. 2. Схема тракта шумопеленгования ГАС
МОДУЛЬ РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ
Математическая модель модуля обеспечивает расчет вероятности обнаружения шумящих морских объектов в заданной точке и реализует функцию расчета статических зон обнаружения в режиме шумопеленгования (ШП). Рассмотрим пассивную ГАС с трактом обнаружения в режиме ШП. На рис. 2 представлена схема тракта шумопеленгования ГАС.
На схеме показаны: ПА — приемная гидроакустическая антенна, представляющая собой дискретную звукопрозрачную решетку в виде компенсированного цилиндра; ФХН — формирователь веера статических характеристик направленности; в формировании любой характеристики направленности участвуют все приемные элементы ПА; здесь же сигналы с выходов характеристик направленности детектируются; £ — сумматор выборки сигнала объемом, соответствующим заданному времени накопления Т (одного цикла обнаружения); ПУ — пороговое устройство; ЛК — устройство логического накопления результатов срабатывания первичного порога.
В тракте ШП ГАС принято логическое накопление в стробе сопровождения морского объекта результатов первичной обработки по логике 1с из N.
При заданной вероятности РЛТ и критерии обнаружения 1с из N вероятность рN появления ложной отметки определяется из следующего уравнения [1]:
N
РЛТ = £ ^PlN(1 - РМ)
N - I
(1)
где С1Ь[ — число сочетаний из N по /.
В модели можно принять любые значения 1 и N. На практике N принимают от трех до 10. Для заданного потока ложных тревог не более одной за единицу времени и с учетом длительности цикла первичного накопления сигнала в пространственном канале определяется вероятность ложной тревоги за цикл обнаружения -лт С учетом этих данных из формулы (1) получим значение р^
Для выделения отметок сигналов от морских объектов применяется метод пространственного
контраста, в соответствии с которым производится сравнение мощности с выходов трех смежных пространственных каналов. В результате на одном цикле обнаружения вероятность ложного превышения порога в пространственном канале (ПК) будет равна Р0 = 0,33.
При нормальном законе распределения амплитуд отметок порог П для первичного обнаружения после первичного накопления определяется из следующего уравнения:
Ро =
1 ^ . СТл/2П п
-х2/2ст2 йх
где ст — среднеквадратическое отклонение напряжения помех на выходе сумматора; П — порог; Х — текущее значение статистики обнаружения на выходе сумматора.
Вероятность правильного обнаружения -по источника на /-том цикле обнаружения длительностью Т определяется выражением: [1].
ПОN
= 0,5 <! 1 + 2 Р
у ( /) 1 Т/ - арр Р(1 - 2 Рлт )"
1 2
1 + #
, (2)
где у(/) — коэффициент помехоустойчивости приемной антенны; q — отношение мощности сигнала Р2 к мощности помехи РП на входе приемной антенны; А/ — рабочая полоса частот приемного тракта; Р — табулированная функция Лапласа; агЕР — функция, обратная Р.
В выражении (2):
2 Р?Т
q2 = -2 П(/э, а Н),
(3)
П
Р2
— мощность сигнала в источнике; П(/Э, Б, Н) — потери сигнала на распространение от источника до приемной антенны на эквивалентной частоте /Э на расстоянии Б и глубине источника сигнала Н.
Коэффициент помехоустойчивости приемной антенны определяется как
2
у(/) = Р^Р-,
с
где й и к — диаметр и высота цилиндрической антенны, с — скорость звука в воде (с = 1470 м/с).
56
вепвогв & Эувгетв • № 12.2014
Приведенный уровень сигнала морского объекта задается таблицей в зависимости от его водоизмещения и скорости.
Приведенный уровень шума (шумов моря) Рш на частоте 1 кГц равняется 0,001 (Па/л/Гц).
МОДУЛЬ РАСЧЕТА ОШИБКИ (ПРИБОРНОЙ) ПЕЛЕНГОВАНИЯ В РЕЖИМЕ ШП
Дисперсия ста оценки пеленга в направлении на обнаруженный источник сигнала определяется по формуле:
РЦ (f )
2
-
2 ^(f/Kc(f)fW-1)(£
4 п2 A T J if----— df
fH 1 + )
Рш (f)
6c2
[радиан],
где Рц(/) и Рш(/) — спектральные плотности
сигнала и шума на входе антенны, соответствен-
1/2
но, (Па/Гц ' ) (величина Рц(/) рассчитывается с учетом потерь на распространение сигнала от его источника до антенны); Кс( /) = 2Н//е — коэффициент концентрации столба антенны (И — высота антенны); й — диаметр цилиндрической антенны; М — число гидрофонов антенны в одной полусфере; А Т — время усреднения в канале сопровождения источника сигнала; /н и /в — нижняя и верхняя частоты диапазонов.
Для упрощения расчета ст2а спектры сигнала и шума на входе антенны принимаются постоянными и равными спектральным плотностям сигнала и шума на средних частотах диапазонов.
При моделировании для заданных исходных данных по модели морского объекта, по модели ГАС и по моделям внешних условий (потери на распространение и помехи) с использованием выражения (3) рассчитывается отношение сигнал/шум. В соответствии с [2] полагаем полученное значение отношения сигнал/шум математическим ожиданием. Далее производится генерирование последовательности чисел по нормальному закону, и для каждого сгенерированного числа производится расчет вероятности пра-
вильного обнаружения Р^Ом с использованием формулы (2). Затем для каждого ансамбля из N вероятностей рассчитывается вероятность обнаружения морского объекта за N циклов обнаружения с использованием следующего выражения:
N
nON
- Z C'n рПо N(1 PnoN
N - i
В статической модели при заданной вероятности ложной тревоги рассчитываются зоны обзора для фиксированных дальности и пеленгу морского объекта. В динамической модели при заданной вероятности ложной тревоги для каждого момента времени рассчитывается вероятность правильного обнаружения источника, движущегося по заданной траектории.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемая ИМ ГАС позволяет имитировать потоки результатов обнаружения одновременно от нескольких обнаружителей в системе. Модель имеет широкие возможности по варьированию входными воздействиями, в том числе гидроакустическими сигналами морских объектов и шумами моря. Универсальность модели обеспечивается использованием математических выражений для расчетов энергетического потенциала и пространственной избирательности обнаружителей с изменяемыми параметрами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зарайский В. А., Тюрин А. М. Теория гидролокации. — Л.: ВМА им. Ушакова, 1975.
2. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. — М.: Советское Радио, 1976.
Работа выполнена в Санкт-Петербургском представительстве Специального конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН.
Владимир Федорович Емельяненко — канд. техн. наук, зав. лабораторией гидроакустического мониторинга;
Евгений Николаевич Каленов — д-р техн. наук, вед. научн. сотрудник.
®/1 (812) 235-36-19
E-mail: skb@skbsami.ru □
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.