CC BY
96
4. Воев один В.В. Вычислительная математи ка и структура алгоритмов. - М.: Изд-во МГУ, 2006. - 112 с.
5. Кузьмы некий ММ. Архитектура S2MP - свежий взгляд на cc-NUMA // Открытые системы. - 1997. - № 2. - С. 43-49’
6. Официальный правительственный документ “Sequent's NUMA-Q SMP Architecture“, 2010, Sequent Computer Systems, Inc URL: http://www.sequent.com (дата обращения: 15.02.2010).
7. . . NUMA- :
// - . - -сибирск: ИСИ СО РАН, 2001. - С. 44-53.
8. Брайда В.Л., Ильина ОМ. Архитектура ЭВМ и систем: Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 2006. - 718 с.
9. Mansour M., Smith B.V., Noaks D.R. Localization of an object using a bat model, inspired from biology. - 2009 URL: www.biophysicsnet.ro/rjb/articles/257/amchi.pdf (дата обращения 16.02.2010).
10. Peter Dobbins Radar, sonar and SWIPS // IEE Colloquium on 'Simulation Techniques Applied to Sonar' (Digest No.80) - P. 97-103 URL: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/ mostRecentls-sue.jsp?punumber=2121 (дата обращения 16.03.2010).
11. Kriegman D.J., Triendl E. and Binford T.O. "A mobile robot: Sensing, planning and locomotion" // IEEE Int. Conf. Robotics Automat. - 2009. - P. 402-408.
12. . . . управления безопасностью сложных систем: Труды XVII Международной конференции.
- М., 2009 / Под ред. Н.И. Архиповой, В.И. Кульбы. - М.: РГГУ, 2009. - С. 348-454.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор В.Е. Золотовский.
Каеаев Сергей Юрьевич
Технологический институт федерального государственного автономного
образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный
федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
101998, г. Москва, ул. Новороссийская, 25.
Тел.: +79852279470.
Кафедра вычислительной техники; соискатель.
Kasaev Sergey Yur'evich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational
Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
25, Novorossoskaya Street, Moscow, 101998, Russia.
Phone: +79852279470.
Department of Computer Engineering; Competitor.
УДК 534.222.2
В.Ю. Волощенко
ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕЛЕНГА И УДАЛЕННОСТИ ИСТОЧНИКА МОЩНЫХ ТОНАЛЬНЫХ СИГНАЛОВ
Рассмотрен принцип работы и структурная схема пассивного акустического пепен-
,
сигнала с необходимой точностью, так и оценивать его удаленность. Данное устройство может быть использовано в составе гидроакустической аппаратуры для обеспечения су.
; .
Известия ЮФУ. Технические науки
V.Y. Voloshchenko
THE PASSIVE NAVIGATION SYSTEM FOR SOUND FIXING AND RANGE OF TONE FINITE AMPLITUDE SIGNAL’S SOURCE
The paper presents the operation principle and block diagram of the passive acoustic direction finder, which allows to sense on tone finite amplitude signal's source (for example, sonar beacon-pinger) and to compute the range for it. This device may be used as an acoustic ship-borne equipment for safety navigation.
Nonlinear acoustics; the passive acoustic direction and range finder.
В настоящее время для дальнейшего развития прибрежных морских технологий добычи нефти и газа актуальна разработка систем позиционирования буровых судов, включающих в себя подсистемы - измерительную, информационнокомандную и движительно-рулевую. Измерительная подсистема включает в свой состав аппаратуру для определения местоположения судна относительно донных акустических маяков и бортовое акустическое оборудование судна, обеспечивающее высокую точность определения местоположения подводных скважин, снабженных маяками-пингерами, при достаточной помехозащищенности [1].
Известна акустическая подсистема, основанная на определении угловых направлений на донный маяк в вертикальной плоскости, проходящей через оси X и Y системы судовых координат, использующая две идентичные гидроакустические ,
относительно друга на небольшой угол в плоскости обзора, образуя равносигнальную зону [2]. В данном устройстве определение направления производится фазоам-
,
сопровождение маяка по направлению. К сожалению, рассмотренная акустическая подсистема обладает существенными недостатками - мала точность пеленгации источника сигналов, отсутствует возможность определения дальности до него, необходимо осуществлять механический поворот антенн при пеленговании маяка.
,
упругих свойств, что приводит к генерации в водной среде «новых» сигналов кратных частот при распространении интенсивной «приводной» ультразвуковой волны от донного маяка. Нелинейные эффекты в акустическом поле можно рассматривать как результат изменения свойств среды в области распространения мощного зондирующего сигнала накачки с частотой f, что приводит к искажению формы профиля волны конечной амплитуды, т.е. генерации высших гармонических составляющих с частотами 2f, 3f,...,nf,, где n = 2,3, ... - порядковый . -
ресными пространственными характеристиками: на акустической оси излучающей антенны донного маяка изменение свойств среды под действием мощной волны
накачки с частотой f происходит в наибольшей степени, в связи с чем главный
максимум излучения для каждой последующей гармоники уже (острее), а в направлениях дополнительных максимумов излучения на основной частоте f изменение свойств среды происходит в гораздо меньшей степени, что приводит к снижению эффективности генерации гармоник в этих направлениях, т.е. уровень бокового поля для каждой последующей гармоники меньше, чем у предыдущей. Эффективность использования существующих навигационных систем с «моночас» -
ветствующей обработки сигналов на кратных частотах - высших гармонических компонентах излученного сигнала основной частоты.
канал 1 ?► 9 —► Ю
канал 2
пі
9 —► 10 ___2f
10 —► 11
г:
12
_и
Рис. 1. Структурная схема многочастотной локационной системы
Работа многочастотной локационной системы происходит следующим образом. В маяке-пингере (рис. 1) все электронные блоки подключены к источнику питания 1 и генератор 2 вырабатывает гармонический сигнал с частотой /, который через хронизатор-модулятор 3, усилитель мощности 4 поступает на электроакустический преобразователь 5, излучающий импульсный зондирующий сигнал накачки в , . -пространении в среде мощный акустический сигнал с амплитудой звукового давления Р1 и частотой / по мере распространения испытывает накапливающиеся искажения волнового профиля, что физически означает генерацию высших гармонических компонент с частотами 2/, 3/,..., п/, амплитуды звуковых давлений которых равны Р2, Р3,..., Рп [3]. Таким образом, маяк-пингер осуществляет излучение в импульсном режиме по заданной перед постановкой на грунт программе, формируя необходимые по остроте соосные основные лепестки характеристик направленности излучателя 5 как на исходном сигнале накачки, так и сигналах кратных , .
равносигнальное
направление
направление на источник
б
Рис. 2. ХН групп преобразователей (а) и пеленгационные характеристики метода равносигнальной зоны на частотах /(- - -), 2/ (- ■ -■-) (б)
[4] -
п - , -
ские сигналы и1,и 2, вырабатываемые двумя группами акустических преобразователей 6, 7 (рис. 1). Обе группы имеют идентичные основные лепестки характеристик направленности без дополнительных максимумов, которые сдвинуты относительно друг друга на угол 2рсм (рис. 2,а), где рсш = (0,5-0,7)х в07/ , В07/ -
ширина основного лепестка характеристики направленности группы акустических преобразователей для сигнала накачки по уровню 0,7. Пеленгование методом равносигнальной зоны осуществляется путем определения разности напряжений Ди = и1 — и2 ( - ° - 1', 2', - п - 1", 2" на рис. 2,а) на выходах двух идентичных каналов приемных трактов, в которых обрабатываются электрические сигналы одинаковых рабочих частот (или / или 2 / ... или п/ ), величина которой изменяется при пеленговании источника сигнала 5 за счет поворота двухлепестковой
6, 7 -
пенсатором 8. Перестройка компенсатора 8 может осуществляться как оператором вручную, так и автоматически с последующим слежением за маяком-пингером. При нахождении источника на линии, проходящей через точку пересечении основных лепестков характеристик направленности обоих групп акустических преобразователей, и называемой линией равносигнального направления, электрические сигналы обоих каналов равны (или и1(/) = и2(/) или и 1(2/) = и2(2/)...) и
напряжение Ди будет ра в но нулю, что и будет регистрироваться устройством
16. , -ворота Др равносигнального направления групп акустических преобразователей,
8,
16, -
динате пеленгуемого маяка-пингера. В предлагаемом устройстве пеленгование осуществляется на нескольких акустических сигналах как первичного, так и вторичного акустических полей с частотами /,2/,..., п/, что позволит регулировать точность пеленгования маяка-пингера. Пеленгационные характеристики метода равносигнальной зоны на частотах / (-), 2/ ( - • - -) для предлагаемого
. 2, . , -
онной характеристики 3 = йи (р)/йр , а, следовательно, и пеленгационная чув-
ствительность максимальны при ориентации линии равносигнального направления на цель (в этом случае Ди = 0), причем для сигнала второй гармоники 2/ пеленгационная чувствительность выше, чем для сигнала основной частоты. Это обусловлено величиной разности напряжений Ди = и1 — и2 ( - ° - 1',2', Ди/ ; -
° - 1'', 2'', Ди2/) для любого угла Др отклонения от линии равносигнального
,
6, 7
более высокочастотных сигналов.
Изменение угла ДртЬ( /}, при котором оператор или автоматическое устройство уверенно фиксирует наличие разницы в напряжениях и 1(п/},и2(п/},..., определяется выражением [5]:
^фшш(п/) = 0 0^ • № • (^0,7(п/) ) ! фст . (1)
При пеленговании оператором величина ^=0,05-0,15 - (визуальный индикатор) и /1> 0,2 (слуховой индикатор); д0 7(п/} - ширина основного лепестка характеристики направленности группы преобразователей в режиме приема по уровню 0,7 . , -
онной системе сигнала накачки с частотой / , а также высших гармоник п/ волн
, п , -
тельно включенные полосовые фильтры (9), настроенные на частоты /, 2 /,..., п/ , усилители (10), детекторы (11) и затем подаваемых попарно через
п- 12 13,
16,
позволяет осуществить пеленгование маяка-пингера методом равносигнальной зоны с требуемой точностью, возрастающей для более высокочастотных сигналов, что обусловлено уменьшением ширины основных лепестков характеристик на-
0,7 .
иного рабочего сигнала осуществляется путем подачи с блока управления 17 сигналов на управляющие входы п -входовых аналоговых ключей 12, что в свою очередь определяется необходимой точностью определения местоположения донного маяка-пингера с судна-носителя. С выходов детекторов 10 соответствующих п цепочек второго канала видеоимпульсные сигналы и2 (/ ),и2( 2 /),..., и2( п/) посту-
14,
основной частоты / пеленгуемого маяка-пингера и сформировавшихся высших гармоник 2/,3/,..., п/ в момент точного его пеленгования. По соотношению уровней сигналов и2(/),и2(2/),..., и2(п/) ^ соответственно звуковых давлений
Р, Р2, Р3,..., Рп) с помощью вычислительного блока 15 определяют расстояние
г до м аяка-пингера, затем полученная информация поступает на третий вход уст-
16. -16, 15 14 -
17.
Проведем вывод расчетных соотношений для вычисления дальности до пеленгуемого источника мощного сигнала конечной амплитуды с помощью 3- , . .
для соответствующей обработки в вычислительном блоке 15 амплитуды видеоимпульсов и 2( / ),и 2(2 / ),и 2(3 /), соответствующие амплитудам звуковых давлений
Р, Р2, Р3 акустических сигналов основной частоты / и гармоник 2/, 3/, при-
В [6] показано, что отношение уровней звуковых давлений гармонических составляющих с частотами f, 2 f, 3f равно
P2 • exp(-zfl) / P1 • exp(-zfl2) = [(k +1) • 2л- f • ln(z / z0) • P0 z0 ]/ 2V2 • pc3, (2)
P3 • exp(-zfl)/P1 • exp(-zfl3) = [9 • (k +1) • 2л • f • P0z0 /32 • pc3]2 • ln(z/z0), (3)
rfle k - napaMeip ншншнссти (для воды k = 7);
z - A^bHocTb pacnpocipaHeHHA aKycTH4ecKoro cnrHaia;
fl 2 3 — к^^^ици^еты 3aTyxaHra (Hen/м) для 4acroT f, 2 f, 3 f ;
p— raioTHocrb cpeflbi pacnpocTpaHeHra (для воды 1 000 кг/м3);
С - cKopocTb pacnpocipaHeHHA ^дая воды otmo 1 500 м/c);
P0 - амплитуда звукового p,&BneHm излyчaeмoй acy^TO4e^^ в^ты с частотой f, nprnefleHHoe к pacCT^^rnro z 0 (^braHo n^rnHMaCT z 0= 1 m).
Haxo pa e (2) P0 z0 o c a pa e e (3),
P3 • PjP22 = 3{exp[ -z(fl + & - 2 A)]} / 2(ln z - ln z0).
Приняв, что z0 = 1м, преобразуя, получим
ln z = 1,5 • exp[-z(fl + fl2 - 2fl2)] • P22 / P3 • P1.
Пропотенцировав данное выражение, получаем транцендентное выражение относительно z, решаемое численными методами
exp{1,5 • exp[-z(fl1 + - 2fl2)] • P22 / P3 • P1} - z = 0. (4)
Уравнение (4) для различных значений исходных параметров f, /?(f ), PJ, P2, P3, позволяет однозначно определять расстояние z до пеленгуе-- , используемых в рассмотренной локационной системе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Roberts J. An advanced acoustic position reference system // The 7th Annual Offshore Technology Conference, Houston, 1975, paper N OTC-1979. - P. 23-32.
2. Curcan P. C. Proceedings of the 4th National ISA Marine Sciences Instrumentation. - New York, 1968. - Vol. 4. - P. 4-14.
3. Muir T.G. Non-linear acoustics and its role in the sedimentary geophysics of the sea. in L.L.Hampton, edit., Physics of Sound in Marine Sediments, Plenum Press. - New York, 1974.
- P. 241-287.
4. . . 2138059 ( ). / . . . . .. - 1999.
- № 26. - 4 c.
5. Колчеданцев A.C. Гидроакустические станции. - Jl.: Судостроение, 1982. - 240 с.
6. McDaniel O.H. Harmonic distortion of spherical sound waves in water // J. Acoust. Soc. Amer. - 1965. - Vol. 38, № 4. - P. 644-647.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф-м.н., профессор Г.В. Куповых.
Волошенко Вадим Юрьевич
Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге.
E-mail: [email protected].
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
Тел.: 88634371794.
Кафедра инженерной графики и компьютерного дизайна; доцент.
Voloshchenko Vadim Yur’evich
Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”.
E-mail: [email protected].
44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.
Phone: +78634371794.
The Department of Engineering Drawing and Computer Design; Associate Professor.
УДК 534.222: 534.535: 615.471
Г.Ю. Джуплина, EX. Домбругова, Л.А. Дорогобед, И.Б. Старченко,
Н.Н. Чернов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ, ПРОЦЕССОВ И СИГНАЛОВ В МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРАКТИКЕ
Рассматриваются модели процессов, полей и сигналов в медико-биологической практике: моделирование ультразвукового поля фазированной антенной решетки для литот-риптера; модели электроэнцефалографических сигналов с использованием вейвлетов До-беши; модель оптикоакустического эффекта в среде с наноразмерными рассеявателями. Фазированная решетка; вызванные потенциалы; вейвлет-преобразование; оптикоа-; ; .
G.Yu. Dzhuplina, E.G. Dombrugova, L.A. Dorogobed, I.B. Starchenko,
N.N. Chernov
SIMULATION OF PHYSICAL FIELDS, PROCESSES AND SIGNALS IN MEDICAL-BIOLOGICAL PRACTICE
The models of processes, fields and signals in medical-biological practice: simulation of ultrasonic field of phase array for lithotripter; models of EEG signals using wavelet Daubechies; model of optoacoustical effect in the medium with nanosized particles.
Phase array; evoked potentials; wavelet transformation; optoacoustical effect; laser impulse; acoustic pressure.
Метод моделирования ультразвукового поля фазированной антенной . -
рованной антенной решетки, что является на сегодняшний день актуальной задачей в медицине. Главная цель работы - найти параметры фазированной антенной решетки по заданным параметрам поля; однако, поскольку это является весьма
,
поля в пространстве с достаточно высокой точностью по заданным параметрам фазированной антенной решетки.
