RU2626068C2 - Method for calibration of parametric tract and device for its implementation - Google Patents
Method for calibration of parametric tract and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2626068C2 RU2626068C2 RU2015130379A RU2015130379A RU2626068C2 RU 2626068 C2 RU2626068 C2 RU 2626068C2 RU 2015130379 A RU2015130379 A RU 2015130379A RU 2015130379 A RU2015130379 A RU 2015130379A RU 2626068 C2 RU2626068 C2 RU 2626068C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- signal
- unit
- signals
- sonar
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области нелинейной гидроакустики и может быть использовано для калибровки параметрического тракта гидролокатора.The present invention relates to the field of nonlinear sonar and can be used to calibrate the sonar parametric path.
Для излучения в параметрическом тракте гидролокатора используют два высокочастотных сигнала накачки на частотах ω1 и ω2, причем ω1>ω2. В результате взаимодействия излученных высокочастотных акустических сигналов с нелинейным слоем среды формируется сигнал на разностной частоте Ω1=ω1-ω2, который является копией излученного сигнала на несущей частоте ω1.For radiation in the parametric path of the sonar, two high-frequency pump signals are used at frequencies ω 1 and ω 2 , and ω 1 > ω 2 . As a result of the interaction of the emitted high-frequency acoustic signals with a nonlinear layer of the medium, a signal is generated at the difference frequency Ω 1 = ω 1 -ω 2 , which is a copy of the emitted signal at the carrier frequency ω 1 .
Формируемый сигнал на разностной частоте Ω1 претерпевает амплитудно-частотные искажения, обусловленные процессом его генерации (нелинейными свойствами среды), распространением в водной среде, влиянием излучающей и приемной аппаратуры параметрического тракта гидролокатора.The generated signal at the difference frequency Ω 1 undergoes amplitude-frequency distortions due to the process of its generation (nonlinear properties of the medium), propagation in the aquatic environment, and the influence of the radiating and receiving equipment of the sonar parametric path.
Неучет амплитудно-частотных искажений принимаемого эхосигнала на разностной частоте Ω1 при цифровой обработке, в частности при выполнении согласованной фильтрации, приводит к негативным последствиям, заключающимся в искажении отклика согласованного фильтра на полезный эхосигнал, что приводит к его расширению (ухудшается разрешающая способность по дальности) и возрастанию уровня боковых лепестков (увеличивается вероятность пропуска полезного сигнала с небольшой амплитудой), как следствие, ухудшаются технические характеристики гидролокатора.The neglect of the amplitude-frequency distortions of the received echo signal at the differential frequency Ω 1 during digital processing, in particular when performing matched filtering, leads to negative consequences, which distort the response of the matched filter to the useful echo signal, which leads to its expansion (range resolution deteriorates) and an increase in the level of side lobes (the probability of missing a useful signal with a small amplitude increases), as a result, the technical characteristics of the hydra locator.
Таким образом, важной задачей является проведение калибровки параметрического тракта гидролокатора, которая заключается в определении оптимальных параметров сигналов накачки, обеспечивающих минимальные амплитудно-частотные искажения сигнала на разностной частоте Ω1.Thus, an important task is the calibration of the sonar parametric path, which consists in determining the optimal parameters of the pump signals that provide the minimum amplitude-frequency distortion of the signal at the difference frequency Ω 1 .
Известен способ (патент на изобретение РФ №2058561 «Способ калибровки параметрических излучающих антенн и устройство для его осуществления»), включающий излучение антенной высокочастотных акустических волн накачки на близких частотах ω1 и ω2, прием сигналов разностной частоты Ω1=ω1-ω2 измерительным гидрофоном, измерение амплитуд сигнала разностной частоты Ω1. В точке расположения измерительного гидрофона одновременно с излучением сигнала накачки дополнительно излучают непрерывный калибровочный высокочастотный сигнал на частоте ω3, которую выбирают из условия равенства чувствительности гидрофона на частотах ω1, ω2, ω3, а амплитуду сигнала на частоте ω3 путем регулирования уровня излучения устанавливают равной амплитуде сигналов на частотах ω1 и ω2.The known method (patent for the invention of the Russian Federation No. 2058561 "Method for calibrating parametric emitting antennas and a device for its implementation"), comprising emitting an antenna of high-frequency acoustic pump waves at close frequencies ω 1 and ω 2 , receiving signals of a difference frequency Ω 1 = ω 1 -ω 2 measuring hydrophone, measuring the amplitudes of the signal of the differential frequency Ω 1 . At the location of the measuring hydrophone, simultaneously with the radiation of the pump signal, a continuous calibration high-frequency signal is additionally emitted at a frequency of ω 3 , which is selected from the condition that the sensitivity of the hydrophone is equal at frequencies ω 1 , ω 2 , ω 3 , and the signal amplitude at a frequency of ω 3 by adjusting the radiation level set equal to the amplitude of the signals at frequencies ω 1 and ω 2 .
В точке расположения измерительного гидрофона измеряют амплитуды дискретных составляющих U(Ω1), U(Ω2), U(Ω3) на частотах Ω1=ω1-ω2, Ω2=ω3-ω1, Ω3=ω3-ω2, сравнивают полученные величины и, если U(Ω1)>U(Ω2)=U(Ω3), делают вывод об акустическом происхождении принимаемого сигнала, а при U(Ω1)=U(Ω2)=U(Ω3), делают вывод о том, что регистрируется паразитный сигнал. Сигнал U(Ω1) акустического происхождения используют для измерения характеристики направленности излучающей параметрической антенны и амплитудно-частотной характеристики излучаемого сигнала.At the location of the measuring hydrophone, the amplitudes of the discrete components U (Ω 1 ), U (Ω 2 ), U (Ω 3 ) are measured at frequencies Ω 1 = ω 1 -ω 2 , Ω 2 = ω 3 -ω 1 , Ω 3 = ω 3 -ω 2 , compare the obtained values and, if U (Ω 1 )> U (Ω 2 ) = U (Ω 3 ), draw a conclusion about the acoustic origin of the received signal, and for U (Ω 1 ) = U (Ω 2 ) = U (Ω 3 ), conclude that a spurious signal is recorded. The signal U (Ω 1 ) of acoustic origin is used to measure the directivity of the emitting parametric antenna and the amplitude-frequency characteristics of the emitted signal.
К недостаткам данного способа-аналога следует отнести использование дополнительного излучателя высокочастотного калибровочного сигнала, который должен иметь стабильные характеристики для выполнения калибровки. Кроме того, при калибровке измерительный гидрофон расположен в дальней зоне излучающей антенны, что требует обеспечения большого значения отношения «сигнал/помеха» и препятствует калибровке в случае моностатической гидролокации, когда излучающая высокочастотная и низкочастотная приемная антенна расположены рядом.The disadvantages of this analogue method include the use of an additional emitter of a high-frequency calibration signal, which must have stable characteristics to perform calibration. In addition, during calibration, the measuring hydrophone is located in the far zone of the radiating antenna, which requires a large signal-to-noise ratio and prevents calibration in the case of monostatic sonar, when the radiating high-frequency and low-frequency receiving antennas are located nearby.
Также недостатком рассматриваемого способа-аналога является отсутствие возможности учета меняющихся в пространстве нелинейных свойств водной среды, обуславливающих генерацию полезного низкочастотного сигнала на разностной частоте Ω1=ω1-ω2.Also a disadvantage of the analogue method under consideration is the inability to take into account the non-linear properties of the aquatic environment that vary in space and cause the generation of a useful low-frequency signal at the difference frequency Ω 1 = ω 1 -ω 2 .
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является способ калибровки параметрического тракта гидролокатора (Foote К., Francis Т., Atkins P. Calibration sphere for low-frequency parametric sonar // JASA. 2007. Vol. 121, №3. P. 1482-1489), в котором: производят калибровку параметрического тракта гидролокатора в заданном районе акватории, размещают эталонный отражающий объект на известном расстоянии от антенн гидролокатора, для излучения используют два сигнала накачки - тональный сигнал с несущей частотой ω2 и частотно-модулированный сигнал с несущей частотой ω1 и девиацией частоты Δω, в пределах полосы пропускания излучающей высокочастотной антенны гидролокатора, излучают сигналы на частотах ω1 и ω2 в сторону эталонного отражающего объекта, принимают эхосигналы на разностной частоте Ω1=ω1-ω2 с помощью низкочастотной приемной антенны, выполняют полосовую фильтрацию принятых эхосигналов, оценивают коэффициент обратного рассеяния от эталонного отражающего объекта в полосе частот приема.The closest analogue to the proposed method is a method for calibrating the sonar parametric path (Foote K., Francis T., Atkins P. Calibration sphere for low-frequency parametric sonar // JASA. 2007. Vol. 121, No. 3. P. 1482-1489 ), in which: the parametric path of the sonar is calibrated in a given area of the water area, a reference reflective object is placed at a known distance from the sonar antennas, two pump signals are used for radiation - a tone signal with a carrier frequency of ω 2 and a frequency-modulated signal with a carrier frequency of ω 1 and frequency deviation Δω, within the passband of the emitting high-frequency sonar antenna, emit signals at frequencies ω 1 and ω 2 towards the reference reflective object, receive echo signals at the difference frequency Ω 1 = ω 1 -ω2 using a low-frequency receive antenna, perform band pass filtering of the received echo signals, evaluate the backscatter coefficient from the reference reflective object in the reception frequency band.
Существенным недостатком данного способа-прототипа является отсутствие возможности оптимизации параметров сигналов накачки, в результате невозможно минимизировать амплитудно-частотные искажения эхосигнала на разностной частоте Ω1, что приводит к снижению отношения «сигнал/помеха» при обработке эхосигналов и ухудшению технических характеристик гидролокатора (снижению разрешающей способности по дальности, а также к увеличению вероятности пропуска полезного эхосигнала).A significant disadvantage of this prototype method is the inability to optimize the parameters of the pump signals, as a result, it is impossible to minimize the amplitude-frequency distortion of the echo signal at a difference frequency of Ω 1 , which leads to a decrease in the signal-to-noise ratio during processing of echo signals and to a deterioration in the technical characteristics of the sonar (lower resolution ability in range, as well as to increase the probability of missing a useful echo signal).
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является устройство для калибровки параметрического тракта гидролокатора (Foote К., Francis Т., Atkins P. Calibration sphere for low-frequency parametric sonar // JASA. 2007. Vol. 121, №3. P. 1482-1489).The closest analogue to the proposed device is a device for calibrating the sonar parametric path (Foote K., Francis T., Atkins P. Calibration sphere for low-frequency parametric sonar // JASA. 2007. Vol. 121, No. 3. P. 1482- 1489).
Указанное устройство содержит эталонный отражающий объект, высокочастотную излучающую антенну и низкочастотную приемную антенну, передающий блок, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок управления. При этом эталонный отражающий объект не имеет соединений, вход высокочастотной излучающей антенны соединен с выходом передающего блока, выход низкочастотной приемной антенны соединен с входом приемного блока, выход которого соединен с входом блока цифровой обработки эхосигналов, выход которого соединен с входом блока управления. Выход блока управления соединен с входом приемного блока и передающего блока, блока цифровой обработки.The specified device contains a reference reflective object, a high-frequency emitting antenna and a low-frequency receiving antenna, a transmitting unit, a receiving unit, a digital signal processing unit, a control unit. In this case, the reference reflective object is not connected, the input of the high-frequency emitting antenna is connected to the output of the transmitting unit, the output of the low-frequency receiving antenna is connected to the input of the receiving unit, the output of which is connected to the input of the digital processing unit of the echo signals, the output of which is connected to the input of the control unit. The output of the control unit is connected to the input of the receiving unit and the transmitting unit, the digital processing unit.
Устройство-прототип обладает существенным недостатком, заключающимся в отсутствии возможностей управления параметрами сигналов накачки, излучаемых в водную среду, а также параметрами согласованного фильтра в приемном блоке для выполнения согласованной фильтрации, что не позволяет минимизировать амплитудно-частотные эхосигналы на разностной частоте, обусловленные распространением в водной среде с меняющимися нелинейными свойствами и аппаратурой параметрического тракта гидролокатора.The prototype device has a significant drawback consisting in the lack of control over the parameters of the pump signals emitted into the aquatic environment, as well as the parameters of the matched filter in the receiving unit to perform matched filtering, which does not allow minimizing the amplitude-frequency echo signals at the difference frequency due to propagation in the water environment with changing nonlinear properties and equipment of the parametric sonar path.
Задача изобретения состоит в уменьшении искажений отклика согласованного фильтра на полезный эхосигнал в параметрическом тракте гидролокатора.The objective of the invention is to reduce the distortion of the response of a matched filter to a useful echo signal in the parametric path of the sonar.
Технический результат заключается в оптимизации параметров сигналов накачки, излучаемых в водную среду, для обеспечения минимальных амплитудно-частотных искажений.The technical result consists in optimizing the parameters of the pump signals emitted into the aqueous medium to ensure minimal amplitude-frequency distortions.
Для обеспечения указанного технического результата в известный способ калибровки параметрического тракта гидролокатора, в котором: производят калибровку параметрического тракта гидролокатора в заданном районе акватории, размещают эталонный отражающий объект на известном расстоянии от антенн гидролокатора, для излучения используют два сигнала накачки - тональный сигнал с несущей частотой ω2 и частотно-модулированный сигнал с несущей частотой ω1 и девиацией частоты Δω, в пределах полосы пропускания излучающей высокочастотной антенны гидролокатора, излучают сигналы на частотах ω1 и ω2 в сторону эталонного отражающего объекта, принимают эхосигналы на разностной частоте Ω1=ω1-ω2 с помощью низкочастотной приемной антенны, выполняют полосовую фильтрацию принятых эхосигналов, оценивают коэффициент обратного рассеяния от эталонного отражающего объекта в полосе частот приема, введены новые признаки:To ensure the indicated technical result, in a known method for calibrating the sonar parametric path, in which: the sonar parametric path is calibrated in a given area of the water area, a reference reflective object is placed at a known distance from the sonar antennas, two pump signals are used for radiation - a tone signal with a carrier frequency ω 2 and a frequency-modulated signal with a carrier frequency ω 1 and a frequency deviation Δω, within the passband of the radiating high-frequency antenna sonar, emit signals at frequencies ω 1 and ω 2 towards the reference reflective object, receive echo signals at the difference frequency Ω 1 = ω 1 -ω 2 using a low-frequency receiving antenna, perform band pass filtering of the received echo signals, evaluate the backscattering coefficient from the reference reflective object in the reception frequency band, introduced new features:
- производят N циклов зондирования;- produce N sounding cycles;
- для калибровки в каждом цикле зондирования: устанавливают параметры сигналов накачки для излучения в сторону эталонного отражающего объекта - несущую частоту ω1(n) и девиацию частоты Δω(n) частотно-модулированного сигнала и несущую частоту ω2(n) тонального сигнала, , выполняют расчет коэффициентов согласованного фильтра, исходя из параметров излученных сигналов накачки, оценивают максимальное значение A(n) и ширину ΔB(n) по уровню 0.5 от значения A(n) отклика согласованного фильтра на эхосигнал от эталонного отражающего объекта;- for calibration in each probe cycle: set the parameters of the pump signals for radiation in the direction of the reference reflective object - the carrier frequency ω 1 (n) and the frequency deviation Δω (n) of the frequency-modulated signal and the carrier frequency ω 2 (n) of the tone signal, calculate the coefficients of the matched filter based on the parameters of the emitted pump signals, estimate the maximum value of A (n) and the width ΔB (n) at a level of 0.5 of the value A (n) of the response of the matched filter to the echo signal from the reference reflective object;
- после выполнения N циклов зондирования производят пороговую обработку полученных значений ΔB(n)≤ΔB0, среди значений ΔB, меньших порога ΔB0, выбирают значение с наибольшим параметром A и запоминают номер цикла зондирования n0, соответствующий выбранному значению, отбирают оптимальные параметры сигналов накачки ω1(n0), ω2(n0), Δω(n0), обеспечивающие минимальные амплитудно-частотные искажения сигнала на выходе согласованного фильтра, рассчитывают коэффициенты импульсной характеристики согласованного фильтра для оптимальных параметров сигналов накачки и запоминают их;- after performing N sounding cycles, threshold processing of the obtained values ΔB (n) ≤ΔB 0 is performed, among the values ΔB lower than the threshold ΔB 0 , the value with the largest parameter A is selected and the sounding cycle number n 0 corresponding to the selected value is stored, the optimal signal parameters are selected pumping ω 1 (n 0 ), ω 2 (n 0 ), Δω (n 0 ), providing the minimum amplitude-frequency distortion of the signal at the output of the matched filter, calculate the impulse response coefficients of the matched filter for optimal parameters with ignals pump and remember them;
- при работе параметрического тракта гидролокатора для излучения используют сигналы накачки с оптимальными параметрами ω1(n0), ω2(n0), Δω(n0), для выполнения согласованной обработки принимаемых эхосигналов применяют коэффициенты импульсной характеристики согласованного фильтра для оптимальных параметров сигналов накачки.- when the sonar parametric path is used for radiation, pump signals with the optimal parameters ω 1 (n 0 ), ω 2 (n 0 ), Δω (n 0 ) are used, and the impulse response coefficients of the matched filter for optimal signal parameters are used to perform the coordinated processing of the received echo signals pumping.
Для обеспечения указанного технического результата в известное устройство для калибровки параметрического тракта гидролокатора, содержащее эталонный отражающий объект, высокочастотную излучающую антенну и низкочастотную приемную антенну, передающий блок, приемный блок, блок цифровой обработки сигналов, блок управления, при этом эталонный отражающий объект не имеет соединений, вход высокочастотной излучающей антенны соединен с выходом передающего блока, выход низкочастотной приемной антенны соединен с входом приемного блока, выход которого соединен с входом блока цифровой обработки эхосигналов, выход которого соединен с входом блока управления, выход блока управления соединен с входом приемного блока и передающего блока, блока цифровой обработки, отличающееся тем, чтоTo ensure the specified technical result in a known device for calibrating the parametric path of the sonar containing a reference reflective object, a high-frequency emitting antenna and a low-frequency receiving antenna, a transmitting unit, a receiving unit, a digital signal processing unit, a control unit, while the reference reflecting object has no connections, the input of the high-frequency emitting antenna is connected to the output of the transmitting unit, the output of the low-frequency receiving antenna is connected to the input of the receiving unit, the output which is connected to the input of the digital processing unit of the echo signals, the output of which is connected to the input of the control unit, the output of the control unit is connected to the input of the receiving unit and the transmitting unit, the digital processing unit, characterized in that
- в передающем устройстве используют два управляемых генератора для выработки сигналов накачки;- the transmitter uses two controlled generators to generate pump signals;
- в блоке цифровой обработки сигналов используют управляемый согласованный фильтр;- in the digital signal processing unit, a controlled coordinated filter is used;
- дополнительно введен блок калибровки, причем вход блока калибровки соединен с выходом блока цифровой обработки сигналов, выход блока калибровки соединен с входом блока управления.- an additional calibration unit has been introduced, wherein the input of the calibration unit is connected to the output of the digital signal processing unit, the output of the calibration unit is connected to the input of the control unit.
Таким образом, проведение калибровки параметрического тракта параметрического гидролокатора позволяет определить оптимальные значения параметров сигналов накачки с учетом влияния среды распространения и амплитудно-частотных характеристик аппаратуры параметрического тракта гидролокатора для обеспечения минимальных амплитудно-частотных искажений отклика согласованного фильтра на полезный эхосигнал.Thus, the calibration of the parametric path of the parametric sonar allows you to determine the optimal values of the parameters of the pump signals taking into account the influence of the propagation medium and the amplitude-frequency characteristics of the equipment of the parametric path of the sonar to ensure minimum amplitude-frequency distortions of the response of the matched filter to the useful echo signal.
Реализация данного способа поясняется фиг. 1-4.The implementation of this method is illustrated in FIG. 1-4.
На фиг. 1 показана геометрия задачи калибровки параметрического тракта, на которой представлены - подводный объект 1, высокочастотная излучающая антенна 2, низкочастотная приемная антенна 3, нелинейный слой водной среды 4, эталонный отражающий объект 5.In FIG. 1 shows the geometry of the parametric path calibration problem, which shows an
На фиг. 2 показаны типовые амплитудные спектры излучаемых сигналов накачки: 6 - амплитудный спектр тонального сигнала на несущей частоте ω2, 7 - амплитудный спектр частотно-модулированного сигнал на несущей частоте ω1.In FIG. 2 shows typical amplitude spectra of the emitted pump signals: 6 — amplitude spectrum of the tone signal at the carrier frequency ω 2 , 7 — amplitude spectrum of the frequency-modulated signal at the carrier frequency ω 1 .
На фиг. 3 показано изменение оптимизируемых параметров в процессе калибровки.In FIG. Figure 3 shows the change in optimized parameters during the calibration process.
На фиг. 4 показан отклик согласованного фильтра во временной области на принятый эхосигнал на разностной частоте.In FIG. Figure 4 shows the response of a matched filter in the time domain to a received echo at a differential frequency.
Предложенный способ реализуется следующим образом: производят калибровку параметрического тракта гидролокатора в заданном районе акватории, в водной среде (фиг. 1) устанавливают эталонный отражающий объект 5 на известном расстоянии от антенн гидролокатора 2 и 3, располагаемого на подводном объекте 1.The proposed method is implemented as follows: calibrate the sonar parametric path in a given area of the water area, in the aquatic environment (Fig. 1) set the reference
В качестве эталонного отражающего объекта 5 используют сферический отражатель с радиусом a, изготовленный из стали, при этом значение a удовлетворяет условию a>>(λ/2π), где λ - длина акустической волны, падающей на объект 1. Также в качестве эталонного отражающего объекта можно использовать границы раздела «вода-лед» или «вода-воздух» при условии наличия сведений о степени их шероховатости.A spherical reflector with a radius of a made of steel is used as a reference
В пределах полосы пропускания излучающей высокочастотной антенны гидролокатора 2 в сторону эталонного отражающего объекта 5 излучают сигналы накачки (фиг. 2) - тональный сигнал с несущей частотой ω2 и частотно-модулированный сигнал с несущей частотой ω1 и девиацией частоты Δω.Within the bandwidth of the emitting high-
Учитывая изменчивый характер нелинейных свойств участка водной среды, генерирующего в результате взаимодействия сигналов накачки полезный сигнал на разностной частоте, а также частотно-зависимый характер процессов шумообразования и распространения акустических волн в водной среде, оптимизации подлежат следующие параметры сигналов накачки: несущая частота ω1 и девиация частоты Δω частотно-модулированного сигнала, и несущая частота ω2 тонального сигнала.Given the variable nature of the nonlinear properties of the portion of the aqueous medium that generates a useful signal at the difference frequency as a result of the interaction of the pump signals, as well as the frequency-dependent nature of the processes of noise generation and propagation of acoustic waves in the aqueous medium, the following parameters of the pump signals must be optimized: carrier frequency ω 1 and deviation frequency Δω of the frequency-modulated signal, and the carrier frequency ω 2 of the tone signal.
Производят калибровку параметрического тракта гидролокатора за N циклов зондирования.Calibrate the sonar parametric path for N sounding cycles.
Для калибровки в каждом n-ом цикле зондирования устанавливают параметры сигналов накачки (фиг. 3) для излучения в сторону эталонного отражающего объекта 5 - несущую частоту ω1(n) и девиацию частоты Δω(n) частотно-модулированного сигнала и несущую частоту ω2(n) тонального сигнала, которые определяют по формулам:For calibration, in each n-th sensing cycle, the parameters of the pump signals are set (Fig. 3) for radiation in the direction of the reference reflecting object 5 - the carrier frequency ω 1 (n) and the frequency deviation Δω (n) of the frequency-modulated signal and the carrier frequency ω 2 (n) tone, which is determined by the formulas:
ГдеWhere
N2 - число градаций несущей частоты ω1 тонального сигнала;N 2 - the number of gradations of the carrier frequency ω 1 tone signal;
N3 - число градаций разностной частоты ω1-ω2;N 3 is the number of gradations of the difference frequency ω 1 -ω 2 ;
N4 - число градаций девиации частоты частотно-модулированного сигнала накачки с несущей частотой ω2;N 4 - the number of gradations of the frequency deviation of the frequency-modulated pump signal with a carrier frequency ω 2 ;
int [.] - оператор, производящий выделение целой части от числа;int [.] - operator that extracts the integer part of a number;
mod (x,y) - оператор, вычисляющий число x по модулю числа y;mod (x, y) - an operator that calculates the number x modulo the number y;
ω02 - начальное значение несущей частоты ω2 тонального сигнала накачки;ω 02 - the initial value of the carrier frequency ω 2 tone pump signal;
Δω0 - начальное значение девиации частоты;Δω 0 is the initial value of the frequency deviation;
Δω2 - шаг изменения частоты ω1;Δω 2 - frequency change step ω 1 ;
Δω1 - шаг изменения разностной частоты ω1-ω2;Δω 1 is the step of changing the difference frequency ω 1 -ω 2 ;
Δω01 - шаг изменения девиации частоты.Δω 01 is the step of changing the frequency deviation.
Параметры N2, N3, N4, ω02, Δω0, Δω2, Δω1, Δω01 устанавливают до начала калибровки.The parameters N 2 , N 3 , N 4 , ω 02 , Δω 0 , Δω 2 , Δω 1 , Δω 01 are set before calibration.
Устанавливаемые значения N2, N3, N4 должны быть кратны 2 и удовлетворять условиям:The set values of N 2 , N 3 , N 4 must be a multiple of 2 and satisfy the conditions:
Исходя из условий (4), число N определяется числом градаций N2, N3, N4 оптимизируемых параметров сигналов накачки.Based on conditions (4), the number N is determined by the number of gradations N 2 , N 3 , N 4 of the optimized parameters of the pump signals.
Также есть ограничения для значений ω02 и ω1(N):There are also restrictions on the values of ω 02 and ω 1 (N):
гдеWhere
Δω02 - ширина спектра тонального сигнала накачки 6 (фиг. 2);Δω 02 - the spectrum width of the pump tone 6 (Fig. 2);
ωн и ωв - левая и правая границы полосы пропускания высокочастотной излучающей антенны 2 соответственно.ω n and ω in the left and right borders of the passband of the high-
В результате взаимодействия излученных сигналов накачки с нелинейным слоем водной среды 4 образуется частотно-модулированный сигнал с несущей частотой Ω1(n)=ω1(n)-ω2(n) и девиацией частоты Δω(n), который отражается от эталонного отражающего объекта 5, принимают эхосигналы на частоте Ω1(n)=ω1(n)-ω2(n) с помощью низкочастотной приемной антенны 3.As a result of the interaction of the emitted pump signals with a nonlinear layer of the
Производят полосовую фильтрацию принятых эхосигналов на частоте Ω1(n)=ω1(n)-ω2(n).Band-pass filtering of the received echo signals at a frequency of Ω 1 (n) = ω 1 (n) -ω 2 (n) is performed.
Исходя из известной дальности R до эталонного отражающего объекта 5 рассчитывают границы строба для выделения полезного эхосигнала по формуле:Based on the known range R to the reference
гдеWhere
τu - длительность излучаемого частотно-модулированного импульса,τ u - the duration of the emitted frequency-modulated pulse,
- частота дискретизации АЦП. - sampling frequency of the ADC.
Значения τu и являются техническими характеристиками гидролокатора.The values of τ u and are the technical characteristics of sonar.
Выполняют известную процедуру расчета коэффициентов импульсной характеристики согласованного фильтра для частотно-модулированного сигнала с несущей частотой Ω1(n)=ω1(n)-ω2(n) и девиацией частоты Δω(n) (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 1988. С. 105, С. 420).The well-known procedure for calculating the coefficients of the impulse response of a matched filter for a frequency-modulated signal with a carrier frequency of Ω 1 (n) = ω 1 (n) -ω 2 (n) and frequency deviation Δω (n) is performed (S.I. Baskakov, Radio Engineering Circuits and signals. - M.: Higher School, 1988.S. 105, S. 420).
Выполняют согласованную фильтрацию:Perform consistent filtering:
гдеWhere
z - амплитуда эхосигналов, принятых низкочастотной приемной антенной 3,z is the amplitude of the echo signals received by the low-
h - импульсная характеристика согласованного фильтра,h is the impulse response of the matched filter,
m - номер выборки АЦП.m is the ADC sample number.
Для оценки амплитудно-частотных искажений оценивают максимальное значение A(n) и ширину ΔB(n) по уровню 0.5 от значения A(n) отклика согласованного фильтра B на эхосигнал (фиг. 4) от эталонного отражающего объекта 5.To estimate the amplitude-frequency distortions, the maximum value A (n) and the width ΔB (n) are estimated at a level of 0.5 from the value A (n) of the response of the matched filter B to the echo signal (Fig. 4) from the reference
Значение A(n) позволяет оценить эффективность преобразования излученных сигналов накачки в сигнал на разностной частоте, а значение ΔB(n) - частотно-избирательные свойства водной среды с учетом влияния аппаратуры параметрического тракта гидролокатора.The value of A (n) makes it possible to evaluate the efficiency of converting the emitted pump signals into a signal at the difference frequency, and the value ΔB (n) - the frequency-selective properties of the aqueous medium, taking into account the influence of the equipment of the sonar parametric path.
После выполнения N циклов зондирования производят пороговую обработку полученных значений:After performing N sounding cycles, threshold processing of the obtained values is performed:
гдеWhere
- пороговое значение. - threshold value.
Среди значений ΔB, меньших порога ΔB0 (9), выбирают значение с наибольшим параметром A и запоминают номер цикла зондирования n0, соответствующий выбранному значению.Among the values ΔB lower than the threshold ΔB 0 (9), a value with the largest parameter A is selected and the probe cycle number n 0 corresponding to the selected value is stored.
В результате выполнения калибровки отбирают оптимальные параметры сигналов накачки ω1(n0), ω2(n0), Δω(n0), обеспечивающие минимальные амплитудно-частотные искажения сигнала на выходе согласованного фильтра, а также рассчитывают соответствующие коэффициенты импульсной характеристики согласованного фильтра для выполнения обработки принимаемых эхосигналов.As a result of the calibration, the optimal parameters of the pump signals ω 1 (n 0 ), ω 2 (n 0 ), Δω (n 0 ), which provide the minimum amplitude-frequency distortion of the signal at the output of the matched filter, are selected, and the corresponding pulse characteristics of the matched filter are calculated to perform processing of received echoes.
При работе параметрического тракта гидролокатора для излучения используют сигналы накачки с оптимальными параметрами ω1(n0), ω2(n0), Δω(n0), для выполнения согласованной обработки принимаемых эхосигналов применяют коэффициенты импульсной характеристики согласованного фильтра для оптимальных параметров сигналов накачки.When the sonar parametric path is used for radiation, pump signals with the optimal parameters ω 1 (n 0 ), ω 2 (n 0 ), Δω (n 0 ) are used, and the impulse response coefficients of the matched filter are used for the optimal parameters of the pump signals to perform coordinated processing of the received echo signals .
Реализация устройства, реализующего предлагаемый способ, поясняется фиг. 5-9.An implementation of a device that implements the proposed method is illustrated in FIG. 5-9.
На фиг. 5 представлена структурная блок-схема устройства для калибровки параметрического тракта гидролокатора.In FIG. 5 is a structural block diagram of a device for calibrating a sonar parametric path.
На фиг. 6 представлена структурная блок-схема приемного блока.In FIG. 6 is a structural block diagram of a receiving unit.
На фиг. 7 представлена структурная блок-схема передающего блока.In FIG. 7 is a structural block diagram of a transmitting unit.
На фиг. 8 представлена структурная блок-схема блока цифровой обработки сигналов.In FIG. 8 is a structural block diagram of a digital signal processing unit.
На фиг 9. представлена структурная блок-схема блока калибровки.Figure 9. presents a structural block diagram of a calibration unit.
Устройство (фиг. 5) состоит из высокочастотной излучающей антенны 2, низкочастотной приемной антенны 3, эталонного отражающего объекта 5, передающего блока 8, приемного блока 9, блока 10 цифровой обработки сигналов, блока 11 калибровки, блока 12 управления.The device (Fig. 5) consists of a high-
Эталонный отражающий объект 5 не имеет соединений, вход высокочастотной излучающей антенны 2 соединен с выходом передающего блока 8, выход низкочастотной приемной антенны 3 соединен с входом приемного блока 9, выход которого соединен с входом блока 10 цифровой обработки эхосигналов, выход блока 10 соединен с входом блока 11 калибровки, выход блока 11 соединен с входом блока 12 управления. Выход блока 12 управления соединен с входом приемного блока 9 и передающего блока 8, блока 10 цифровой обработки.The reference
Передающий блок 5 (фиг. 6) состоит из управляемого генератора тонального сигнала 13, управляемого генератора частотно-модулированного сигнала 14, двухканального усилителя 16 мощности, двухканального устройства 17 согласования с нагрузкой, преобразователя 15 напряжения питания, устройства 18 контроля.The transmitting unit 5 (Fig. 6) consists of a controlled
Управляемый генератор 13 тонального сигнала и управляемый генератор 14 частотно-модулированного сигнала выполнены на базе микросхем прямого цифрового синтеза ИС AD9912.The controlled
Приемный блок 9 (фиг. 7) состоит из полосового фильтра 19, усилителя 20, аналогово-цифрового преобразователя 21, устройства 22 контроля.The receiving unit 9 (Fig. 7) consists of a band-
Блок 10 цифровой обработки сигналов (фиг. 8) состоит из интерфейсного блока 23, управляемого согласованного фильтра 24, блока 25 расчета дальности до цели. Блок 10 цифровой обработки, в том числе и управляемый согласованный фильтр 24, реализован на базе программируемой логической интегральной схемы ALTERA EP3C16Q240C8 и сигнального процессора ADSP 21368.
Блок 11 калибровки (фиг. 9) состоит блока 26 оценки параметров отклика согласованного фильтра, блока 27 накопления, решающего устройства 28. Блок 11 калибровки реализован на сигнальном процессоре ADSP 21368.The calibration block 11 (Fig. 9) consists of a
Блок 12 управления состоит из процессорного устройства, оперативного запоминающего устройства и кварцевого генератора.The
Устройство работает следующим образом. При выполнении калибровки параметрического тракта гидролокатора в каждом цикле зондирования по командным импульсам, вырабатываемым блоком управления, в передающем блоке 8 (фиг. 6) двумя управляемыми генераторами 13 и 14 осуществляется формирование двух электрических сигналов (тонального и частотно-модулированного) с установленными параметрами (несущие частоты и девиация частоты частотно-модулированного сигнала), которые преобразуются в акустические импульсы высокочастотной излучающей антенной 2 и излучаются в сторону эталонного отражающего объекта 5. Прием и преобразование в электрические сигналы осуществляется низкочастотной приемной антенной 3. Принятые электрические сигналы от низкочастотной приемной антенны 32, поступают на приемный блок 9 (фиг. 7), где выполняется полосовая фильтрация, усиление и аналого-цифровое преобразование.The device operates as follows. When calibrating the sonar parametric path in each sensing cycle by command pulses generated by the control unit, in the transmitting unit 8 (Fig. 6), two controlled
Далее блок 12 управления выдает в блок 10 команду на установку коэффициентов согласованного фильтра, соответствующих параметрам излученных сигналов накачки. Затем оцифрованные данные поступают в блок 10 цифровой обработки сигналов (фиг. 8), где выполняется согласованная фильтрация и расчет дальности до цели. С выхода блока 10 данные обработки эхосигналов поступают в блок 11 калибровки (фиг. 9).Next, the
В блоке 11 калибровки производится оценка параметров отклика согласованного фильтра на полезный эхосигнал и накопление полученных данных, а также выбор оптимальных параметров сигналов накачки из набора данных по совокупности выполненных циклов зондирования. После чего вычисленные оптимальные значения параметров сигналов накачки поступают в блок 12 управления для дальнейшей работы гидролокатора.In the
Поясним работу блока 11.Let us explain the operation of
В блоке 26 оценки параметров отклика согласованного фильтра производится оценка максимального значения A и ширины ΔB по уровню 0.5 от максимального значения отклика согласованного фильтра. В блоке 27 накопления производится накопление значений A и ΔB, полученных за N циклов зондирования. В решающем устройстве 28 производится анализ накопленных значений A и ΔB для выбора оптимальных значений сигналов накачки для дальнейшей работы гидролокатора.In
Предложены способ и устройство калибровки параметрического тракта гидролокатора, позволяющие уменьшить амплитудно-частотные искажения отклика согласованного фильтра на полезный эхосигнал путем оптимизации параметров излучаемых в водную среду сигналов накачки: несущая частота тонального сигнала накачки, несущая частота и девиация частоты частотно-модулированного сигнала накачки.A method and device for calibrating the parametric path of a sonar is proposed, which allows to reduce the amplitude-frequency distortions of the response of the matched filter to a useful echo signal by optimizing the parameters of the pump signals emitted into the aquatic environment: carrier frequency of the pump tone, carrier frequency and frequency deviation of the frequency modulated pump signal.
Таким образом, технический результат изобретения достигнут.Thus, the technical result of the invention is achieved.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015130379A RU2626068C2 (en) | 2015-07-22 | 2015-07-22 | Method for calibration of parametric tract and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015130379A RU2626068C2 (en) | 2015-07-22 | 2015-07-22 | Method for calibration of parametric tract and device for its implementation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015130379A RU2015130379A (en) | 2017-01-30 |
RU2626068C2 true RU2626068C2 (en) | 2017-07-21 |
Family
ID=58453417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015130379A RU2626068C2 (en) | 2015-07-22 | 2015-07-22 | Method for calibration of parametric tract and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2626068C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2784885C1 (en) * | 2019-06-24 | 2022-11-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" | Method for increasing the efficiency of a parametric acoustic radiating antenna and a device for its implementation |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114417685A (en) * | 2022-01-07 | 2022-04-29 | 北京中安智能信息科技有限公司 | Sonar parameter recommendation method under multi-constraint condition |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3866159A (en) * | 1973-04-02 | 1975-02-11 | Automation Ind Inc | Carrier beam sensor |
US3882444A (en) * | 1971-06-18 | 1975-05-06 | Automation Ind Inc | Steerable parametric conversion array |
RU2058561C1 (en) * | 1992-05-27 | 1996-04-20 | Войсковая часть 90720 | Method of calibration of parametric radiating antennas and device for its realization |
RU2308053C1 (en) * | 2006-01-12 | 2007-10-10 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method for calibration of hydro-acoustic devices with parametric receiving antennas |
-
2015
- 2015-07-22 RU RU2015130379A patent/RU2626068C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3882444A (en) * | 1971-06-18 | 1975-05-06 | Automation Ind Inc | Steerable parametric conversion array |
US3866159A (en) * | 1973-04-02 | 1975-02-11 | Automation Ind Inc | Carrier beam sensor |
RU2058561C1 (en) * | 1992-05-27 | 1996-04-20 | Войсковая часть 90720 | Method of calibration of parametric radiating antennas and device for its realization |
RU2308053C1 (en) * | 2006-01-12 | 2007-10-10 | Сергей Алексеевич Бахарев | Method for calibration of hydro-acoustic devices with parametric receiving antennas |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Kenneth G. Foote, david T.I. Francis, Philip R. Atkins. Calibration sphere for low-frequency parametric sonar. J. Acoust. Soc. Am. 121(3), March 2007. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2784885C1 (en) * | 2019-06-24 | 2022-11-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" | Method for increasing the efficiency of a parametric acoustic radiating antenna and a device for its implementation |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015130379A (en) | 2017-01-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11391863B2 (en) | Method of free-field broadband calibration of hydrophone sensitivity based on pink noise | |
RU2650835C1 (en) | Method of the target parameters determining by the sonar | |
JP3367462B2 (en) | Active sonar and target detection method thereof | |
RU2655478C1 (en) | Method of measuring frequency dependence of sound reflection coefficient from surface | |
RU2626068C2 (en) | Method for calibration of parametric tract and device for its implementation | |
CN111586546B (en) | Method and system for measuring resonance point transmission response of low-frequency transducer | |
RU2568070C1 (en) | Method of measuring complex frequency dependence of transfer impedance of radiator-receiver pair in free field | |
RU2695287C1 (en) | Method of measuring frequency dependence of complex reflection coefficient of sound from surface using noise signal | |
UA30234U (en) | System for near-in hydroacoustic continuous monitoring underwater situation of offshore zone marginal waters | |
JP2007333404A (en) | Impulse radar | |
Isaev et al. | Laboratory free-field calibration of a hydroacoustic receiver at low frequencies | |
RU2296345C2 (en) | Mode of targets radar station clearance according to distance and a pulse radar station with compression of pulses and restoration of signals | |
RU101202U1 (en) | MULTI-FREQUENCY SPEAKING SYSTEM | |
RU2490664C1 (en) | Method of classifying object detected by sonar | |
RU69646U1 (en) | PARAMETRIC ECHO-PULSE LOCATOR | |
Marszal et al. | Application of maximum length sequence in silent sonar | |
RU2452977C1 (en) | Method of measuring distance to monitored facility | |
RU2753829C1 (en) | Method for determining anechoic coefficient in radio frequency anechoic chamber and apparatus for implementation thereof | |
CN109982227B (en) | Method and system for determining optimum driving signal of acoustic transducer | |
RU102270U1 (en) | PARAMETRIC ECHO Sounder | |
RU2517983C1 (en) | Method of profiling bottom deposits | |
RU2452979C1 (en) | Method of measuring distance to monitored facility | |
RU2721307C1 (en) | Acoustic method and apparatus for measuring sea-wave parameters | |
RU168083U1 (en) | ACOUSTIC WAVE GRAPH | |
Wanis | Design and applications of a vertical beam in acoustic Doppler current profilers |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180723 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190605 |