Дипломная работа: Анализ гидроакустических сетей
Особенностью таких сетей является низкая пропускная способность и высокое время ожидания из-за медленного распространения звука и высокого уровня шумов [12].
1.2 Шумы в гидроакустике
В качестве обязательного параметра любой гидролокационной системы вводится минимальное (пороговое) отношение сигнал/помеха, при котором обеспечиваются заданные количественные характеристики эффективности этой системы. Мешающие гидролокационному наблюдению сигналы обусловлены тепловыми шумами, кавитационными шумами, шумами моря, шумами судоходства, реверберационными шумами [3].
Тепловые шумы вызываются движением молекул воды. Получить информацию о начальном положении и скорости каждой молекулы невозможно, к тому же очень сложная система уравнений, описывающих движение молекул. Поэтому законы по описанию тепловых шумов рассматриваются как случайные пространственные процессы. Уровень тепловых шумов мал по сравнению с шумами другого происхождения и определяют минимальный уровень шумов моря.
Кавитационные шумы появляются при возникновении в воде областей пространства, в котором давление отлично от статического. Внутри крошечных полостей, возникающих в воде при кавитации, образуется разрежение. Внезапное уменьшение давления в этих полостях настолько велико, что в них немедленно проникает воздух, растворенный в воде, и водяной пар. В результате образуется воздушный пузырек, который через некоторое время захлопывается, это сопровождается выделением акустической энергии. Кавитационные шумы описываются методами математической статистики. Возникающие при движении судов или гидрофонов в воде, они характеризуются очень большой интенсивностью.
Шумы моря возникают при движении масс воды вследствие деятельности человека и при движении морских организмов в воде. Источники шума моря не поддаются детерминированному описанию. Интенсивность шумов моря меняется в зависимости от места, времени и гидрологических условий. Она сильно возрастает в мелководных, прибрежных районах и при волнениях, сопровождается обрушением волн.
Шумы судоходства – это возмущения, создаваемые при движении судов вообще. Интенсивность этих шумов мало меняется при изменении точки наблюдения, а статические характеристики сходны с характеристиками шумов моря.
Реверберационные шумы возникают при отражении части энергии излучаемого (зондирующего) сигнала активной гидролокационной системы от поверхности моря, морского дна, биологических объектов в воде, от неоднородностей морской среды. Характеристики отражений взволнованной пространственно-временной границы раздела вода-воздух, шероховатой, в общем случае, пространственной границы вода-дно моря и биологических объектов в воде заранее неизвестны и меняются случайно. Поэтому реверберационные шумы описываются методами математической статистики.
1.3 Воздействие природных явлений в гидроакустике
Реверберация – это отражение звука от всех природных рассеивателей, создающих помеху гидролокации. Эхо от лоцируемого предмета может разбиваться на большое количество сигналов, а реверберация выделяется среди ложных эхо-сигналов. По теории В.В. Ольшевского реверберационная помеха маскирует полезный эхо-сигнал и затрудняет обнаружение подводных объектов. Для борьбы с ней концентрируют посылаемый и принимаемый сигналы в очень узком пучке, применяют фильтры, используют модуляцию сигнала.
Существует явление предреверберации, которая появляется перед сигналом на большом расстоянии от источника, когда основная реверберация уже затухла. Предреверберация обусловлена отражениями, приходящими раньше основного сигнала, путь которого может быть извилистым.
Но реверберацию можно использовать для определения направления и скорости движения лоцируемых подводных объектов, используя эффект Доплера, заключающегося в изменении частоты принимаемого сигнала в зависимости от скорости взаимного движения источника и приемника колебаний. При сближении приемника и источника колебания быстрее приходят к приемнику, это равноценно увеличению частоты колебаний источника, то есть высоты тона, соответственно, при удалении приемника от источника эффект тот же, что и при снижении частоты колебаний источника.
Эффект Доплера используется и в полезных целях. Например, действие гидроакустического лага основано на эффекте, который в данном случае проявляется в том, что при движении судна частота отраженного от дна звукового сигнала будет отличаться от частоты посылки (для луча, наклоненного вперед по ходу судна – в сторону увеличения, для луча, наклоненного в сторону кормы – в сторону уменьшения). Доплеровский сдвиг частоты может достигать достаточно больших значений: при частоте посылки 200 килогерц сдвиг частоты – 200 герц на каждый узел судна. Два наклоненных акустических луча позволяют определить и контролировать снос судна боковыми течениями.
Направление движения объекта определяют, сравнивая частоты посылаемых сигналов и принимаемого отраженного эха, для чего в тракт гидролокатора вводят доплеровские фильтры.
Если объект локации удаляется от лоцирующего корабля, тон эха понижается, тем сильнее, чем больше скорость объекта.
Неравномерный прогрев воды вызывает рефракцию звуковых лучей (искривление). Звуковые лучи стремятся в сторону холодных слоев, чаще находятся у поверхности моря ночью и в глубине днем. То же происходит и в зависимости от времени года – зимой лучи стремятся в приповерхностную зону, а летом в глубинные слои.
Рефракция значительно затрудняет обнаружение подводных объектов, навигацию и связь. Образуется “мертвые зоны” или “зоны тени”, в которые не попадают приемные звуковые сигналы [3].
Внутренние волны могут порождать весьма интересные гидроакустические явления, вариации и флуктуации сигналов во времени. Например при передаче акустических сигналов может возникать явление многолучевости распространения (реверберация), что может приводить к значительным искажениям исходного сообщения. С такими явлениями как многолучевость и Доплеровский эффект приходится бороться с помощью специальных методов обработки сигнала, например используется когерентный метод приема в подводной связи.
2 Подводные акустические сети
Подводные акустические сети состоят из автономных донных станций и поверхностных, которые служат как шлюзы и обеспечивают радиосвязь с береговыми станциями. Примечательной стороной таких сетей является низкая пропускная способность акустических каналов передачи, высокое время ожидания, следующее из медленного распространения звука, и высокие уровни шумов. Конечная цель при разработке подводных акустических сетей состоит в том, чтобы обеспечить самоконфигурирование узлов, которые автоматически адаптировались бы к среде.
В последние два десятилетия, акустическая технология связи под водой испытала существенный прогресс. Системы связи с повышенной скоростью передачи и надежностью теперь доступны для организации соединения в реальном масштабе времени между подводными узлами. Настоящие разработки направлены на объединение соединений точка-точка в единую сеть, чтобы удовлетворить запрос на системы, способные собирать и передавать данные с больших площадей: типа совокупности данных окружающей среды, контроля загрязнения и военного наблюдения.
Традиционный подход при исследовании океанского дна или толщи воды состоит в том, что необходимо развернуть океанографические датчики, произвести запись данных, и впоследствии поднять на поверхность оборудование с данными. Этот подход имеет несколько недостатков:
Записанные данные не могут быть переданы на поверхность, пока донная станция находится на дне.
Нет никакой связи между оборудованием, находящимся под водой и пользователем, поэтому невозможно переконфигурировать систему в случае необходимости.
Если отказ оборудования донной станции произойдет в подводном положении, то сбор данных может остановиться, или же все данные могут быть потеряны полностью. Идеальное решение при необходимости контроля областей океанской поверхности в реальном масштабе времени в течение длинных промежутков времени состоит в том, чтобы подключить донные станции с контролирующими центрами посредством беспроволочной связи. Основные подводные акустические сети формируются, путем установки двунаправленной акустической связи между узлами типа автономных подводных станций. Пользователи, расположенные на берегу могут получать данные в реальном масштабе времени от большого количества отдаленных донных станций. После оценки полученных данных они могут посылать сообщения управления любой из этих станций. Поскольку данные не хранятся более на донной станции, то их потеря, связанная с отказом оборудования последней, исключена.
Основная проблема любых донных станций на сегодняшний день – это обеспечение их необходимым питанием. Процесс замены батареи является процессом дорогостоящим, поскольку включает в себя поиск донной станции, ее подъем на поверхность и обратное погружение. Энергия является самым ценным ресурсом, когда речь идет о подводных аппаратах. Сетевые протоколы должны сохранить энергию, сокращая количество повторных посылок.
Некоторые подводные решения требуют, чтобы сеть была развернута настолько быстро, насколько это возможно, при том без существенного планирования. Поэтому, сеть должна обладать способностью самостоятельно определять расположение узлов и автоматически выбирать конфигурацию с целью обеспечения эффективности передачи данных. Также, в условиях изменения состояния канала или выхода из строя части узлов в ходе работы, сеть должна динамически изменить свою конфигурацию, чтобы сохранить работоспособность и продолжить функционирование.