Методы обработки сигналов в гидролокационных системах при решении задачи зондирования донной поверхности
Ключевые слова:
интерферометрический гидролокатор, гидролокатор бокового обзора, гидроакустика, тональный сигнал, ЛЧМ, обработка сигналовАннотация
В статье рассматриваются вопросы обработки гидроакустических данных, регистрируемых с помощью гидроакустических исследовательских комплексов. Особое внимание уделено обзорным и интерферометрическим гидролокаторам. Проведен анализ существующих решений по теме исследования, отмечены основные результаты, достигнутые российскими коллективами разработчиков-исследователей. В соответствии с нормативной документацией определены минимально допустимые погрешности измерений при формировании карт донной поверхности для различных хозяйственных отраслей. В качестве одной из важных проблем, влияющих на эффективность проведения обзорных работ с помощью гидролокационных комплексов авторами определяется проблема сжатия первичных данных, которая, как правило, приводит к потере информации без возможности ее восстановления. Указанные недостатки применяемых в комплексах методов сжатия-восстановления первичной информации и обработки гидроакустических данных снижают общую эффективность применения комплексов как при использовании обзорного гидролокатора, так и при использовании интерферометрического гидролокатора бокового обзора. Следует отметить, что указанная авторами проблема характерна исключительно при использовании в качестве зондирующих импульсов простых тональных сигналов. В рамках численного эксперимента показано, что использование в качестве зондирующих импульсов сигналов с линейно-частотной модуляцией позволяет достаточно эффективно применять комплекс в режиме обзорного гидролокатора. Приведены результаты численного эксперимента для оценки пространственного положения объекта на дне по гидролокационным изображениям с применением информации о разнице фаз принимаемых сигналов при использовании интерферометрического гидролокатора. На основании результатов эксперимента определены требования для качества регистрации отраженных сигналов различного типа в интерферометрических гидролокаторах бокового обзора. Авторами предложен способ разрешения отраженных (с частичным перекрытием и наложением) гидроакустических тональных сигналов, основанный на методе деления спектров. Для повышения эффективности при обработке сигналов с линейно-частотной модуляцией авторами предлагается улучшать точность определения момента обнаружения сигнала за счет корректировки по фазе, рассчитанной через наклон скорости изменения частоты модулированного сигнала.Литература
1. Болдинов Р.О., Скнаря А.В., Тощов С.А. К вопросу о применении алгоритмов построения рельефа дна в интерферометрическом гидролокаторе бокового обзора «Неман ИГБО-500» // Журнал радиоэлектроники. 2017. №2. С. 1-9.
2. Болдинов Р.О., Баскаков А.И., Скнаря А.В.Потенциальная точность интерферометрического гидролокатора бокового обзора//Вестник Московского энергетического института. 2016 . №3 . С. 67-72
3. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Разманов В.М. и др. Результаты применения многофункционального гидролокационного комплекса с ЛЧМ сигналами при инженерных обследованиях подводных сооружений // XIII Всероссийская конференция “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики (ГА-2016)”. 2016. С. 126-129.
4. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В. Опыт проведения исследований дна и донных отложений арктических морей гидролокационными комплексами с ЛЧМ зондирующими сигналами// Известия ЮФУ. Технические науки. 2017.№8. С. 6-16.
5. Кривцов А.П., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В., Степанов А.В. Оценка сходимости глубин при площадной съемке рельефа дна многолучевым эхолотом и интерферометрическим гидролокатором бокового обзора // Журнал радиоэлектроники. 2017. №4. С. 1-8.
6. Матвиенко Ю. В., Воронин В. А., Тарасов С. П. и др. Пути совершенствования гидроакустических технологий обследования морского дна с использованием автономных необитаемых подводных аппаратов// Подводные исследования и робототехника. 2010. №2. С.14-15.
7. Матвиенко Ю.В., Борейко А.А., Костенко В.В. и др. Комплекс робототехнических средств для выполнения поисковых работ и обследования подводной инфраструктуры на шельфе // Подводные исследования и робототехника. 2015. №1. С.4-15.
8. Ковтанюк А.Е., Сущенко А.А., Агафонов И.Б., Золотарев В.В. Интерполяционные методы в задаче улучшения качества гидроакустических изображений // Технические проблемы освоения мирового океана. Материалы 4-й Всероссийской научно-технической конференции. 2011. C.264-288/
9. А.Е. Ковтанюк, А.А. Сущенко, И.Б. Агафонов, В.В. Золотарев. Улучшение качества гидроакустических изображений методом двойной фильтрации // Подводные исследования и робототехника. 2011. №2. С. 31-37.
10. РД 51-3-96. Регламент по техническому обслуживанию подводных переходов магистральных газопроводов через водные преграды.// М.: РАО «Газпром». 2008.
11. СП 46.13330.2012.Мосты и трубы. Свод правил. // М.: Министерство регионального развития Российской Федерации. 2012.
12. КВВТ РФ, N 24-ФЗ.Кодекс внутреннего водного транспорта РФ, Правила содержания судовых ходов и судоходных гидротехнических сооружений. // М.:Минтранс России. 2017.
13. Сажнева А.Э. Технологии выявления скрытой информации изображений (на основе гидролокационных исследований) // М.: Научный мир. 2013. 85 с.
14. Фирсов Ю.Г. Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров. // СПб.: Нестор-История. 2010. 303 с.
15. Lurton X., Lamarche G. Backscatter measurements by seafloor‐mapping sonars. Guidelines and Recommendations. 2015. 200 p.URL: http://geohab.org/wp-content/uploads/2013/02/BWSG-REPORT-MAY2015.pdf (Дата обращения 15.01.2018).
16. Healy C.A, Schultz J.J., Parker K., Lowers B. Detecting submerged bodies: Controlled research using side-scan sonar to detect submerged proxy cadavers // Journal of forensic sciences. Technical Note. 2015. no. 3. pp.743-752.
17. Lubis M.Z., Kausarian H., Anurogo W. Seabed Detection Using Application Of Image Side Scan Sonar Instrument (Acoustic Signal) // Journal of geoscience engineering, environment, and technology. 2017. vol. 2. no. 3. pp.230-234.
18. Grzadziel A., Felski A., Waz M. Experience with the use of a rigidly-mounted side-scan sonar in a harbour basin bottom investigation // Ocean Engineering. 2015. vol. 109. pp.439-443.
19. Kumar N., Mitra U., Narayanan Sh. S. Robust Object Classification in Underwater Sidescan Sonar Images by Using Reliability-Aware Fusion of Shadow Features // IEEE Journal of oceanic engineering. 2015.vol. 40. no. 3. pp. 592-606.
20. Нестеров И.М., Трунов А.Н. Влияние сжатия данных на ошибку определения высоты в радиолокационной интерферометрии РСА космического базирования // Журнал радиоэлектроники. 2015. № 6. 1-16 с.
21. Pepe A., Salo F. A Review of Interferometric Synthetic Aperture RADAR (InSAR) Multi-Track Approaches for the Retrieval of Earth’s Surface Displacements // Appl. Sci. 2017. №.7. pp. 1-40.
22. Pujol G.L. Improving direction-sensing by multibeam sonar // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. vol. 134. 1-28 p.
23. Saucan A.-A., Chonavel Th. Model-based adaptive 3d sonar reconstruction in reverberating environments// IEEE transactions on image processing.2015. vol. 24. no. 10. pp.2928-2940.
24. Бурдинский И.Н., Миронов А.С. Цифровая система обработки гидроакустических навигационных сигналов // Электронные средства и системы управления. 2007. С.296-299.
25. Филлипов Б.И., Чернецкий Г.А. Анализ статистических характеристик каналов и помех в гидроакустических каналах связи // Вестник АГТУ. Управление, вычислительная техника и информатика. 2015. №3. С.78-84.
26. Феллер, В. Ведение в теорию вероятностей и ее приложения // М.: МИР, 1984. 738 c.
27. Миронов А.С., Фомина Е.С. Методы обработки простых сигналов в гидролокаторах бокового обзора // Информационные технологии XXI века. 2017. С. 51-59.
28. Зверев В.А. Временное разрешение в радио-, сейсмо- и акустической локации//Известия вузов. РАДИОФИЗИКА. 2000. С.402-412.
29. Шостак С.В., Бакланов Е.Н, Стародубцев А.П., Шевченко А.П. Решение задачи «обнаружение – измерение дальности» для малоподвижных объектов методом активной корреляции // Журнал Радиоэлектроники. 2015. №3.С.1-14.
30. Черниховская Г.Л. Особенности применения сложных сверхширокополосных сигналов в гидроакустике // Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред. Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ. 2012. С.1-6.
31. Кучеренко И.А. Применение сверхширокополосных сигналов с линейной частотной модуляцией в запреградной радиолокации // Инженерный вестник Дона. 2016. №1. С. 1-14.
2. Болдинов Р.О., Баскаков А.И., Скнаря А.В.Потенциальная точность интерферометрического гидролокатора бокового обзора//Вестник Московского энергетического института. 2016 . №3 . С. 67-72
3. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Разманов В.М. и др. Результаты применения многофункционального гидролокационного комплекса с ЛЧМ сигналами при инженерных обследованиях подводных сооружений // XIII Всероссийская конференция “Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики (ГА-2016)”. 2016. С. 126-129.
4. Каевицер В.И., Кривцов А.П., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В. Опыт проведения исследований дна и донных отложений арктических морей гидролокационными комплексами с ЛЧМ зондирующими сигналами// Известия ЮФУ. Технические науки. 2017.№8. С. 6-16.
5. Кривцов А.П., Смольянинов И.В., Элбакидзе А.В., Степанов А.В. Оценка сходимости глубин при площадной съемке рельефа дна многолучевым эхолотом и интерферометрическим гидролокатором бокового обзора // Журнал радиоэлектроники. 2017. №4. С. 1-8.
6. Матвиенко Ю. В., Воронин В. А., Тарасов С. П. и др. Пути совершенствования гидроакустических технологий обследования морского дна с использованием автономных необитаемых подводных аппаратов// Подводные исследования и робототехника. 2010. №2. С.14-15.
7. Матвиенко Ю.В., Борейко А.А., Костенко В.В. и др. Комплекс робототехнических средств для выполнения поисковых работ и обследования подводной инфраструктуры на шельфе // Подводные исследования и робототехника. 2015. №1. С.4-15.
8. Ковтанюк А.Е., Сущенко А.А., Агафонов И.Б., Золотарев В.В. Интерполяционные методы в задаче улучшения качества гидроакустических изображений // Технические проблемы освоения мирового океана. Материалы 4-й Всероссийской научно-технической конференции. 2011. C.264-288/
9. А.Е. Ковтанюк, А.А. Сущенко, И.Б. Агафонов, В.В. Золотарев. Улучшение качества гидроакустических изображений методом двойной фильтрации // Подводные исследования и робототехника. 2011. №2. С. 31-37.
10. РД 51-3-96. Регламент по техническому обслуживанию подводных переходов магистральных газопроводов через водные преграды.// М.: РАО «Газпром». 2008.
11. СП 46.13330.2012.Мосты и трубы. Свод правил. // М.: Министерство регионального развития Российской Федерации. 2012.
12. КВВТ РФ, N 24-ФЗ.Кодекс внутреннего водного транспорта РФ, Правила содержания судовых ходов и судоходных гидротехнических сооружений. // М.:Минтранс России. 2017.
13. Сажнева А.Э. Технологии выявления скрытой информации изображений (на основе гидролокационных исследований) // М.: Научный мир. 2013. 85 с.
14. Фирсов Ю.Г. Основы гидроакустики и использования гидрографических сонаров. // СПб.: Нестор-История. 2010. 303 с.
15. Lurton X., Lamarche G. Backscatter measurements by seafloor‐mapping sonars. Guidelines and Recommendations. 2015. 200 p.URL: http://geohab.org/wp-content/uploads/2013/02/BWSG-REPORT-MAY2015.pdf (Дата обращения 15.01.2018).
16. Healy C.A, Schultz J.J., Parker K., Lowers B. Detecting submerged bodies: Controlled research using side-scan sonar to detect submerged proxy cadavers // Journal of forensic sciences. Technical Note. 2015. no. 3. pp.743-752.
17. Lubis M.Z., Kausarian H., Anurogo W. Seabed Detection Using Application Of Image Side Scan Sonar Instrument (Acoustic Signal) // Journal of geoscience engineering, environment, and technology. 2017. vol. 2. no. 3. pp.230-234.
18. Grzadziel A., Felski A., Waz M. Experience with the use of a rigidly-mounted side-scan sonar in a harbour basin bottom investigation // Ocean Engineering. 2015. vol. 109. pp.439-443.
19. Kumar N., Mitra U., Narayanan Sh. S. Robust Object Classification in Underwater Sidescan Sonar Images by Using Reliability-Aware Fusion of Shadow Features // IEEE Journal of oceanic engineering. 2015.vol. 40. no. 3. pp. 592-606.
20. Нестеров И.М., Трунов А.Н. Влияние сжатия данных на ошибку определения высоты в радиолокационной интерферометрии РСА космического базирования // Журнал радиоэлектроники. 2015. № 6. 1-16 с.
21. Pepe A., Salo F. A Review of Interferometric Synthetic Aperture RADAR (InSAR) Multi-Track Approaches for the Retrieval of Earth’s Surface Displacements // Appl. Sci. 2017. №.7. pp. 1-40.
22. Pujol G.L. Improving direction-sensing by multibeam sonar // The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. vol. 134. 1-28 p.
23. Saucan A.-A., Chonavel Th. Model-based adaptive 3d sonar reconstruction in reverberating environments// IEEE transactions on image processing.2015. vol. 24. no. 10. pp.2928-2940.
24. Бурдинский И.Н., Миронов А.С. Цифровая система обработки гидроакустических навигационных сигналов // Электронные средства и системы управления. 2007. С.296-299.
25. Филлипов Б.И., Чернецкий Г.А. Анализ статистических характеристик каналов и помех в гидроакустических каналах связи // Вестник АГТУ. Управление, вычислительная техника и информатика. 2015. №3. С.78-84.
26. Феллер, В. Ведение в теорию вероятностей и ее приложения // М.: МИР, 1984. 738 c.
27. Миронов А.С., Фомина Е.С. Методы обработки простых сигналов в гидролокаторах бокового обзора // Информационные технологии XXI века. 2017. С. 51-59.
28. Зверев В.А. Временное разрешение в радио-, сейсмо- и акустической локации//Известия вузов. РАДИОФИЗИКА. 2000. С.402-412.
29. Шостак С.В., Бакланов Е.Н, Стародубцев А.П., Шевченко А.П. Решение задачи «обнаружение – измерение дальности» для малоподвижных объектов методом активной корреляции // Журнал Радиоэлектроники. 2015. №3.С.1-14.
30. Черниховская Г.Л. Особенности применения сложных сверхширокополосных сигналов в гидроакустике // Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред. Муром: Изд. - полиграфический центр МИ ВлГУ. 2012. С.1-6.
31. Кучеренко И.А. Применение сверхширокополосных сигналов с линейной частотной модуляцией в запреградной радиолокации // Инженерный вестник Дона. 2016. №1. С. 1-14.
Опубликован
2018-08-01
Как цитировать
Миронов, А. С., & Фомина, Е. С. (2018). Методы обработки сигналов в гидролокационных системах при решении задачи зондирования донной поверхности. Труды СПИИРАН, 4(59), 140-163. https://doi.org/10.15622/sp.59.6
Раздел
Искусственный интеллект, инженерия данных и знаний
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
