Acerca de la posibilidad de utilizar un adaptativo Filtrar en seguridad un sistema de tipo interferencia al detectar un objeto submarino en movimiento.
KOLMOGOROV Vladimir Stepanovich,
Candidato de Ciencias Técnicas, Profesor Asociado
KALASHNIKOV Ivan Ivanovich
SENCHENKO Alexey Georgievich,
Candidato de Ciencias Técnicas
Sobre la posibilidad de utilizar un filtro adaptativo en un sistema de seguridad
tipo de interferencia al detectar un objeto submarino en movimiento
Fuente: revista «Special Equipment» N° 1 2008
Como se muestra en [1], uno de los problemas que actualmente es necesario resolver es el de la protección de objetos submarinos. Dichos objetos incluyen instalaciones de producción de petróleo, hidronáuticas, instalaciones de acuicultura, etc. La protección de objetos adyacentes a zonas acuáticas también requiere la iluminación del entorno submarino. Se conocen dispositivos que utilizan el principio de detectar un objeto en movimiento violando el patrón de interferencia existente creado al emitir ondas acústicas o electromagnéticas en espacios reducidos, como el interior de un automóvil, un área protegida de un edificio, etc.
Estos objetos protegidos tienen límites fijos y estacionarios [2]. El uso de este principio en ambientes marinos es difícil porque en el ambiente acuático sólo existen dos límites: el agua y el agua. la superficie y el fondo del mar, mientras que la superficie del mar tiene una forma muy variable en el tiempo y es estadísticamente heterogénea. Por tanto, el uso de este principio en condiciones marinas es imposible sin utilizar los principios de filtración adaptativa. Para evaluar la posibilidad de utilizar filtros adaptativos al implementar un detector de interferencias con una mayor apertura de antena debido a la aparición de fuentes de sonido imaginarias al localizar la superficie del mar, se llevaron a cabo estudios experimentales en un dispositivo para detectar un objeto en movimiento [3] en una piscina hidroacústica.
Fig. 1. Cálculo del campo acústico hasta una distancia de 2 km (a),
su sección horizontal a una profundidad de 50 m (b)
y su sección vertical a una distancia de 500 m (c )
desde una fuente de sonido no direccional
Fig. 2. Diagrama del montaje experimental en una piscina hidroacústica:
1 — modelo de un cuerpo en movimiento;
2 — convertidor receptor;
3 — emisor
Estos estudios mostraron la posibilidad de utilizar un filtro adaptativo no recursivo del tipo LMS (Least Mean Square), basado en minimizar el gradiente del valor del error instantáneo entre la muestra y la señal de entrada utilizando el método de mínimos cuadrados [4]. Para analizar el campo acústico en el medio marino se realizaron cálculos para diversas zonas del Mar de Japón utilizando el programa de cálculo ondulatorio del campo acústico basado en ecuaciones parabólicas pseudodiferenciales [5]. En la figura. La Figura 1a muestra uno de los cálculos del campo acústico hasta una distancia de 2 km, y la Fig. 1 6, en — sus secciones horizontales y verticales.
El análisis del campo acústico en condiciones marinas muestra que el patrón de interferencia se puede observar hasta decenas de kilómetros, lo que se confirma mediante una serie de trabajos experimentales, por ejemplo en [6], mientras que en varias zonas del medio marino La estructura periódica del campo acústico se observa tanto en amplitud como en fase. Si se coloca un objeto en movimiento en esta estructura de interferencia existente, se observarán fluctuaciones de fase de amplitud de la señal en la salida del receptor debido a cambios en el patrón de interferencia existente, que es adecuado para la modulación de fase de amplitud de la señal.
Fig. 3. Resultados de estudios experimentales al arrastrar un modelo
de un cuerpo en movimiento en una piscina hidroacústica en condiciones de superficie de agua tranquila
Fig. . Fig. 4. Envolvente de amplitud de la señal al dibujar una placa plana
en una piscina hidroacústica en los planos horizontal (a) y vertical (b)
Para confirmar este fenómeno se realizaron experimentos en una piscina hidroacústica. La configuración experimental para realizar estudios del plano vertical en una piscina hidroacústica se muestra en la Fig. 2.
Durante los experimentos, el cuerpo 1 fue accionado mediante un motor eléctrico y un mecanismo de brochado. En este caso, el transductor 3 emitió una señal hidroacústica de alta frecuencia que, después de reflejarse en la superficie del agua, fue recibida por el receptor 2, luego de lo cual fue detectada por un detector de amplitud y registrada en una PC. La estructura de interferencia del campo acústico se forma por la suma coherente de señales emitidas y reflejadas desde la superficie del agua y las paredes de la piscina.
El cambio en el nivel de la señal detectada en la salida del detector de amplitud durante estudios experimentales realizados en una piscina hidroacústica se muestra en la Fig. 3.
Al realizar experimentos en una piscina hidroacústica, para eliminar la influencia de los fenómenos hidrodinámicos de un cuerpo en movimiento, también se utilizó una placa delgada de 10 x 10 cm, en este caso la placa se movía tanto en el plano horizontal como en el vertical. Los resultados del experimento se muestran en la Fig. 4.
Como se puede ver en la Fig. 4, cuando el cuerpo se mueve, con el tiempo se producen fluctuaciones de amplitud de la señal en la salida del receptor. Además, en estos experimentos, el modelo de un cuerpo en movimiento no se cruza con las líneas de la base receptora-emisora. Es decir, las fluctuaciones en la envolvente de amplitud de la señal son causadas por el movimiento del modelo en el campo de interferencia del sistema receptor-emisor. Debido a la presencia de una gran cantidad de reflexiones de la señal desde las paredes de la piscina, el registrador observó la no periodicidad de los máximos de interferencia en la envolvente de amplitud de la señal (Fig. 4).
La placa se movió verticalmente a una distancia de 1,5 m de la base del transceptor de los transductores, en este caso, en los primeros 6 segundos, se registró una señal de fondo del detector de amplitud, luego la placa comenzó a moverse.
Fig. 5. Resultados de estudios experimentales
al dibujar un modelo de un cuerpo en movimiento en condiciones de superficie rugosa:
a) grabación de fondo con superficie rugosa sin brochar el modelo;
b) señal de la salida del detector de amplitud al dibujar
el modelo contra el fondo de la superficie agitada de la piscina;
c) señal de la salida del detector de amplitud al tirar del modelo
en el contexto de la superficie del agua alterada de la piscina
cuando se utiliza un filtro adaptativo
Como se puede ver en la Fig. 3, 4, aparece una señal en la salida del detector de amplitud, que caracteriza la presencia de un objeto en movimiento al acercarse al área protegida. Pero al crear «emoción» esta señal no se observó en la superficie del agua de la piscina — era «ruidoso» la aparición de modulación desde la superficie agitada, como se muestra en la Fig. 5a.
En la figura. La Figura 5 muestra un análisis comparativo de los resultados de estudios experimentales con un modelo en movimiento en presencia de una superficie de agua turbulenta de la piscina sin usar un filtro adaptativo (Fig. 56) y usando un filtro adaptativo del tipo LMS (Fig. 56). ) del bloque DSP del paquete de extensión Simulink del sistema MATLAB. Como se puede observar en la Fig. 56, el uso de un filtro adaptativo permite aislar la señal causada por un cambio en el patrón de interferencia del campo acústico por un objeto en movimiento en presencia de una superficie de agua turbulenta.
Por lo tanto, el uso de filtrado adaptativo al crear un sistema de seguridad de tipo interferencia le permitirá «reconstruir» de la interferencia de fondo y detectar un objeto en movimiento bajo el agua en el área controlada. En conclusión, cabe señalar que los resultados obtenidos también se pueden interpretar para sistemas de interferencia que utilizan radiación electromagnética, como se analiza en varios trabajos, por ejemplo en [2], en presencia de una superficie de agua turbulenta.
Literatura
- Zvezhinsky S.S. Posibilidades de nuevos medios de detección magnetométrica para la protección de instalaciones civiles y militares/Equipos especiales, 2004, No. 6.
- Patente de invención RF No. 2130646 del 20/05/1999. Un método para detectar objetos en un área controlada (autores: Trefilov N.A. et al.).
- Patente de RF para un modelo de utilidad (decisión positiva del 30 de agosto de 2007). Dispositivo para detectar un objeto en movimiento (autores: Kalashnikov I.I., Kolmogorov V.S., Senchenko A.G., Yurchenko E.N.).
- Sergienko A.B. Procesamiento de señales digitales. 2da ed. San Petersburgo: Peter, 2006, 752 págs.
- Avilov KV. Paquete de software RZEMS, Centro Científico y Técnico “Módulo”/Coll. programas «Software para calcular las características del canal de propagación del sonido en el medio marino», compilado por Zinyakov Yu.N. — M.: RTU VMF, 2003.
- Orlov E.F., Sharonov G.A. Interferencia de ondas sonoras en el océano. Vladivostok: Dalnauka, 1998, 195 págs.