Эхоледомер на подводной лодке

Федеральное агентство образования РФ Дальневосточный Государственный Технический Университет Кафедра ГА и УЗТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по курсу: «Акустические сигналы и их обработка»

на тему: «Эхоледомер на подводной лодке»

Выполнил студент группы Р-7941

Кульков Д.А.

Проверил преподаватель: Горовой С.В.

Владивосток

• I. Введение
• II. Исходные данные
• III. Теоретическая часть
• IV. Расчёт параметров эхоледомера
• V. Модель помехи
• VI. Вычисление вероятности правильного обнаружения
• VII. Вывод
• VIII. Список используемой литературы

I. Введение

Многие акустические устройства и системы являются по своей структуре информационными (предназначенными для преобразования и передачи информации). Согласно современным представлениям, задачи преобразования и передачи информации могут быть сведены к задачам преобразования и передачи соответствующих сигналов. Энергия сигнала должна превышать некоторое пороговое значение, зависящее от передаваемой информации, вида помех, вида используемого сигнала и способа обработки при приеме. Возможность выбора типа сигналов и способов обработки ограничены рядом факторов, которые нужно учитывать.

С точки зрения общих методов решения задач гидролокация имеет много общего с радиолокацией, однако ряд специфических особенностей обусловливает самостоятельность гидролокации как научного направления. К особенностям относят:

Нестабильность условий подводного наблюдения, обусловленных неоднородностью акустических характеристик среды

Сложность формы объектов и зависимость эхо сигналов от свойств этих объектов.

Сильно выраженные доплеровские эффекты.

Наличие особой помехи — морской реверберации.

Гидроакустическое обнаружение сводится к принятию решения о наличии или отсутствии полезного сигнала (цели). Поскольку помехи затрудняют прием полезного сигнала и соответственно процесс принятия решения, то задача обнаружения является статической и решение принимается с той или иной вероятностью, определяющей качество обнаружения.

Реализация трактов обнаружения эхоледомера основывается на сведениях о структуре полезного сигнала, структуре помехи, а также на выбранных критерия оценки. Исходя из этого, находят методы обработки сигналов и синтезируют структуры оптимальной обработки. Именно этим задачам и посвящена данная курсовая работа.

II. Исходные данные

III. Теоретическая часть

В данной курсовой работе производится расчет эхоледомера для подводной лодки. Необходимо обработать сигнал с неизвестной амплитудой и начальной фазой. Модель помехи — шумы обтекания.

Задача обнаружения сигналов с неизвестной амплитудой и начальной фазой является частной общей задачей обнаружения сигналов с неизвестными параметрами. Предположим, что ожидаемый сигнал s (t) зависит от одного или нескольких неизвестных параметров. В теории статистических решений доказывается, что в одном случае решение наличия на выходе системы сигнала s (t) должно приниматься по результатам сравнения с порогом отношения правдоподобия _s.

Модель ожидаемого сигнала представим в виде:

.

Явное выражение для отношения правдоподобия имеет вид:

где — спектральная мощность плотности,

— энергия ожидаемого сигнала,

— модульное значение корреляционного интеграла.

Таким образом, для сигнала с неизвестной амплитудой и начальной фазой отношение правдоподобия является монотонной функцией от z, как и в случае, когда неизвестна только начальная фаза. Поэтому в нашем случае можно сравнивать с порогом не величину _s, а велечину z.

Построение схемы приемника:

Рис. 1 Тракт обнаружения сигнала с неизвестной амплитудой и начальной фазой.

IV. Расчёт параметров эхоледомера

Расчёт рабочей частоты

Рабочую частоту определяем исходя из размеров антенны.

Чтобы система выполняла свои функции, из тактических соображений выбираем ширину ХН на уровне 0.707 равной 30 градусам.

=0,052 м.

Гц,

где с = 1500 м/с — скорость звука в воде.

Расчёт полосы частот

Q - добротность.

V. Модель помехи

Рассмотрим три вида помех: шумы обтекания, электрические шумы и шумы моря.

Эхоледомер используется при всплытии подводной лодки, следовательно, скорость лодки не большая, а это значит, что уровень шумов обтекания низок и поэтому не может служить основной моделью помехи.

Электрические шумы включают в себя собственный шум преобразователя (тепловой шум) и собственный шум приемника или шум — фактора. Напряжение шумов, соответствующих собственному шуму преобразователя, определяется формулой Найквиста:

Мом — входное сопротивление,

дж/град — постоянная Больцмана,

Т — абсолютная температура сопротивления,

Или более упрощенную формулу:

Вт.

Собственный шум приемника учитывается шум — фактором или коэффициентом шума, который умножен на мощность шума. Чтобы рассчитать собственный шум приемника, я взял полевой транзистор КП103, с коэффициентом шума не более 3 дБ:

Вт.

Вт.

Па,

где Вт/Па

Большее влияние будет вносить шумы моря. По своему характеру шум моря приближен к адетивному белому шуму, поэтому будем использовать эту модель шумовой помехи.

Используя номограмму «Спектральные характеристики источников помех работе ГАС» для нашей рабочей частоты определим уровень помех. Приняв за допустимые условия работы волнение в 3 балла, тогда уровень помех составит:

Па

тогда спектральная плотность мощности помехи определится как:

гдег — коэффициент концентрации антенны, определится по формуле:

где м. — площадь излучателя антенны,

тогда Вт/,

Расчет параметров сигнала

Длительность сигнала выберем из условия область мертвой зоны. Область мертвой зоны выберем равную 2 м, тогда длительность импульса должна быть не больше чем:

VI. Вычисление вероятности правильного обнаружения

Вероятности правильных и ошибочных решений:

Для сигналов с неизвестной амплитудой и начальной фазой В и при наличии ожидаемого сигнала:

Проекции релеевского вектора — центрированные гауссовские величины с дисперсией

При сложении двух центрированных нормально распределенных величин получается также центрированная нормально распределенная величина с суммарной дисперсией. Поэтому при наличии ожидаемого сигнала с неизвестной амплитудой и начальной фазой кривые распределения величин z₁ и z₂ остаются центрированными, чему соответствует простой релеевский закон распределения.

где .

Выражения для вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги в нашем случае:

где Z₀ — пороговое значение корреляционного интеграла

Найдем пороговый уровень корреляционного интеграла, через вероятность ложной тревоги Р_лт = 0,001:

где, _{z -} дисперсия,

E_s — энергия сигнала, ;

— излучаемая акустическая мощность, ;

эхоледомер подводная лодка гидролокация

— максимальная электрическая мощность;

— электроакустический коэффициент полезного действия (50%);

k — коэффициент отражения от льда (выбираем из справочника Колесникова А. В. «Основы гидроакустики»).

r — дальность действия (2 м. 200 м.);

N₀ — спектральная плотность мощности

Т.к. дальность действие эхоледомера не превышает 5 км, нам нет необходимости учитывать фактор аномалии. Ниже представлен графики зависимости Р_по от расстояния.

Далее получим связь между излучаемой мощностью и вероятностью правильного обнаружения. Для этого расстояние примем равным 95 м (при этом расстоянии при заданной излучаемой мощности вероятность правильного обнаружения цели равна 0,508).

График, характеризующий качество системы, зависимости вероятности правильного обнаружения от излучаемой мощности при заданной дальности действия:

Эти графики служат оценкой качества системы и показывают, как эффективно она будет работать.

VII. Вывод

В данной курсовой работе производился расчет эхоледомера для подводной лодки.

Для нашего случая сделали выводы:

сигнал рассматривали с неизвестной амплитудой и начальной фазой.

модель помехи — наиболее преобладают шумы обтекания.

были определены параметры излучаемого сигнала, выбраны параметры, характеризующие качество системы: вероятности правильного приема. Исходя из того, что в системе используется сигнал с неизвестной амплитудой и начальной фазой, выбрали вышеприведённую структуру приёмного тракта. Построили зависимость вероятности правильного приема от дальности и от излучаемой мощности. Так как дальность действия получилась меньше 5 км, то гидрологические условия не учитывались. Разработанная нами система способна достигать определенных целей с заданной степенью вероятности, однако следует отметить, что система может быть усовершенствована, одним из наиболее простых способов усовершенствования может служить изменение параметров антенны (увеличение коэффициента концентрации) при этом повысится дальность обнаружения при сохранении того же уровня заданной вероятности обнаружения. Еще одним методом повышения эффективности антенны может стать излучение большей мощности.

VIII. Список используемой литературы

1. Инженерные расчеты в гидроакустике / Евтюков А. П., Митько В. Б. / судостроение 1988 г.

2. Расчет помехоустойчивости ГАС / Горовой С. В. / Владивосток 1984 г.

3. Клещёв А. А., Клюкин И. И. Основы гидроакустики. — Л.: Судостроение, 1987.

4. Ольшевскиё В. В. Статистические методы в гидроакустике. — Л.: Судостроение, 1983.