Комплексы гидроакустических средств предназначены для решения широкого круга задач, стоящих перед судами и необитаемыми аппаратами. Основными из них являются:
- обнаружение различных подводных и надводных объектов,
- определение их координат и параметров движения объектов,
- классификация объектов,
- обеспечение гидроакустического канала связи
- обеспечение безопасности плавания.
Наряду с указанными, гидроакустические средства могут использоваться:
- для исследований характеристик Мирового океана,
- поиска затонувших предметов и т.д.
Одновременно с решением основных задач на них возлагается и ряд обеспечивающих:
- автоматический оперативный контроль исправности функционирования;
- измерение вертикального распределения скорости звука;
- оперативное проведение гидроакустичеких и других расчетов и др.
Исходя из перечисленных задач, в состав КГС входит ряд самостоятельных трактов или станций, а также отдельных устройств. Основными трактами КГС являются:
- гидролокации (ГЛ);
- шумопеленгования (ШП);
- обеспечения гидроакустического канала связи (СВ);
- обнаружения сигналов гидролокаторов (ОСГ);
- автоматического сопровождения обнаруженных объектов.
- поиска объектов;
- навигационной безопасности.
Помимо этого существует целый ряд гидроакустических станций, предназначенных для решения гидрографических задач.
Каждый тракт и комплекс в целом характеризуется тактическими и техническими параметрами. Тактические параметры определяют эффективность применения КГС. К ним относятся:
- дальность действия;
- вероятность правильного обнаружения;
- вероятность ложной тревоги;
- разрешающие способности сигналов;
- точности определения места обнаруженного объекта;
- время (период) обзора.
Технические параметры служат для удовлетворения тактическим требованиям и выбираются разработчиком КГС. Сюда входят:
- излучаемая мощность;
- несущая частота;
- форма и длительность импульса;
- показатели направленности антенн и т.д.
Непрерывно растущие требования к помехоустойчивости и эффективности применения гидроакустических средств, улучшению их тактико-технических характеристик обусловливают необходимость постоянного совершенствования способов обработки сигналов, и приближения их к потенциальным.
С другой стороны, бурное развитие микроэлектроники и вычислительной техники, прогресс в разработке быстрых алгоритмов создают техническую базу для реализации весьма сложных методов обработки сигналов в реальном масштабе времени.
В настоящее время основным способом обработки сигналов в комплексах гидроакустических средств является цифровая обработка сигналов. Цифровая обработка — это комплекс функциональных преобразований над пространственно-временным сигналом, реализуемый на ЭВМ и других специализированных вычислительных устройствах с целью решения основных задач, возлагаемых на КГС.
Достоинствами цифровой обработки являются:
- высокая помехозащищенность;
- гибкость;
- большие модернизационные возможности;
- весогабаритные характеристики.
Информация при этом должна быть представлена в дискретном виде и в цифровом коде, с которым оперирует ЭВМ. Кроме того, преобразование информации производится последовательно по тактам. Объем информации, хранимой и преобразуемой в каждом такте, всегда конечен.
Первое из указанных особенностей обусловливает необходимость предварительной дискретизации и квантования гидроакустических сигналов, что неизбежно ведет к потерям в качестве обработки по сравнению с оптимальной. Однако этот недостаток можно компенсировать некоторым увеличением времени интегрирования. Из второй особенности следует ограниченность быстродействия системы.
Сложность цифрового гидроакустического комплекса делает, как правило, невозможным формализацию и анализ его работы в целом. Поэтому всю систему приходится разбивать на элементы и изучать их функционирование по отдельности. В общем случае такое разбиение сложной системы на элементы может быть выполнено неоднозначно, однако его целесообразно производить так, чтобы элементы имели четко выраженное функциональное назначение и наряду с этим было возможно производить их описание с достаточно общих позиций. В связи с этим процесс цифровой обработки гидроакустических сигналов приемной части КГС можно разделить на следующие функционально законченные операции, которым соответствуют определенные устройства:
- прием сигналов и преобразование их в электрические напряжения — акустическая антенна и предварительные усилители (ПУ);
- представление в дискретной ферме и кодирование — аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с устройствами выборки и хранения;
- формирование характеристик направленности и пространственно-временная обработка (ПВО) — устройство формирования характеристик направленности (УФХН);
- обнаружение и оценка параметров сигналов при одновременном обзоре — устройство частотно-временной обработки (ЧВО);
- определение параметров траекторий обнаруженных объектов и слежение за ними — устройства вторичной обработки информации (ВОИ);
- комплексирование информации по всем трактам КГС, принятие решения о классе обнаруженного объекта;
- система управления и принятия решений на основе анализа данных;
- система архивации данных и регистрации принятых решений.
Соответственно, передающая часть включает:
- генератор сигналов (Ген).
- передающее УФХН,
- усилители мощности (УМ).
Если для излучения и приема сигналов используется одна антенна, необходимым элементом становится коммутатор приема-передачи (КПП), обеспечивающий ее подключение к УМ (при излучении) или на вход приемо-усилителъного тракта (при приеме).
Как видно из функциональной схемы, такие устройства, как акустическая антенна, предварительные усилители, коммутатор приема-передачи и усилители мощности всегда являются аналоговыми, остальные могут быть цифровыми.
Важной особенностью КГС является необходимость представления сигналов в дискретном виде. Для такого представления используется аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выполняющий операции дискретизации и квантования сигнала.
Далее обработка ведется по специальным алгоритмам с целью обнаружения полезного сигнала и оценки его параметров. Эта задача решается системой первичной обработки, включающей ПВО и ЧВО.
Пространственная обработка предназначена для увеличения выходного отношения сигнал/помеха и грубой оценки направления на обнаруженных объекта, а ЧВО выполняет последующие функции:
- согласованную фильтрацию (сжатие данных),
- уменьшение скорости поступления данных (пороговый анализ),
- операции накопления и усреднения данных во времени, а также принятие решения о наличии сигнала,
- формирование первичного формуляра обнаруженного сигнала, а также оценку его параметров и выделение классификационных признаков.
Вторичная обработка информации — это сопоставление и обобщение данных, получаемых за несколько циклов обзора, построение траекторий обнаруженных объектов, их идентификация, сглаживание и экстраполяция, определение усредненных координат и параметров движения обнаруженных объектов.
Информация, получаемая от системы вторичной обработки различных трактов, выдается в систему обработки 3 уровня — комплексную обработку информации для сопоставления, идентификации, принятия окончательного решения о классе обнаруженного объекта.
Комплексное решение об обнаруженном объекте поступает в систему управления для принятия решений о реакции на событие обнаружения объекта (например, изменении параметров работы КГС, маневрирования с целью обеспечения безопасности плавания и т.д.). Система управления обеспечивает синхронизацию работы трактов КГС, изменение режимов работы, распределение ресурсов, планирование работы комплекса и связь с внешними устройствами. Так же под ее управлением производится оперативный контроль работоспособности, осуществляется поиск неисправностей и принимается решение о возможности продолжения дальнейшей работы.
Вся информация, добытая за время выполнения работы, принятые решения на каждом шаге, а также информация, послужившая поводом для принятия этих решений подлежит регистрации и архивации для последующего анализа.
Для решения поставленных задач в реальном масштабе времени, приемлемом по различным соображениям, необходимо обеспечить требования по быстродействию и объему памяти вычислительных средств. При этом суммарная производительность ЭВМ выполняющей первичную обработку, значительно больше, чем для вторичной обработки сигналов. Поэтому задачу цифровой обработки можно решить только с использованием комплекса вычислительных средств, включающего, наряду с универсальной ЭВМ, необходимое число спецпроцессоров, мини-ЭВМ, ПЛИС и другие элементы, т.е. объединив различные средства в единый вычислительный комплекс (ВК). Но и при этом необходимы специальные меры по сокращению объема вычислений и времени обработки, такие, как распараллеливание операций, организация конвейерной обработки, применение быстрых алгоритмов и т.п.
Таким образом, КГС должен представлять из себя систему, состоящую из многоэлементной антенны и ВК, включающего несколько спецпроцессоров и универсальных ЭВМ, а также управляемые генераторные устройства.
ВК представляет собой совокупность программных и технических средств, позволяющую решать задачи цифровой обработки информации и управления аппаратурой КГС. Выбор технических средств тесно связан с архитектурой КГС. При этом могут применяться как иерархические, так и распределенные архитектуры. В первом случае ряд подсистем имеют определенный приоритет перед другими, обеспечиваемый центральным управляющим процессором, координирующим работу всего КГС. При распределенной архитектуре каждая подсистема использует свой микропроцессор. Координация работы этих микропроцессоров осуществляется центральной управлявшей системой. В этом случае снижаются требования к быстродействию процессоров по сравнению о иерархической структурой, но возрастают аппаратурные затраты, так как для каждой подсистемы нужен свой микропроцессор. Возможны и другие типы архитектур.
Более важное значение играют программные средства, определяющие в конечном итоге эффективность обработки сигналов. Причем, в связи с развитием микроэлектроники, стоимость технических средств постоянно снижается, а относительная стоимость программного обеспечения возрастает.