Робота акустичних систем в умовах шумових навантажень
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Козак А.В. Робота акустичних систем в умовах шумових навантажень. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 171 «Електроніка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», МОН України, Київ, 2023.
В зв’язку з зростаючими вимогами до систем повітряного спостереження та розвідки, а також необхідності вдосконалення існуючого парку БПЛА в частині зменшення радіолокаційної та акустичної помітності, сформульовано та розв’язана задача розробки системи акустичного шумопеленгування малих літальних апаратів на основі методів пеленгування, які успішно використовувались в підводні акустиці.
Методи шумопеленгування доопрацьовані в частині відповідності до умов роботи за системою: акустична антена (АА) – пристрій виявлення (до 5 типів пристроїв виявлення) – пристрій пеленгування та індикації.
Метою роботи є створення акустичної системи повітряного шумопеленгування, що реалізує принципи виявлення шумоподібних сигналів із залучення спектральних та кореляційних методів.
При цьому в дисертації отримано наступні наукові результати:
1. Адаптація принципів шумопеленгування в морському середовищі до принципів пеленгування в повітрі;
2. Вперше для повітряних об’єктів розрахована енергетична дальність виявлення БПЛА типу КРИЛО;
3. Вперше використано середовище LabView для моделювання алгоритму і структури пристрою шумопеленгування;
4. Вперше програмно були об'єднані пристрій виявлення і вимірювання параметрів виявленого сигналу в комплексі, тобто підвищення надійності забезпечувалося паралельним використанням трьох трактів виявлення;
5. Вперше була запропонована акустична антена, конструкція якої дозволяє працювати як з скалярними та векторними полем тиску, так і з коливальною швидкістю;
6. За результатами розробки було створено макет пристрою шумопеленгування, функціональні можливості якого, було перевірено в практичних умовах із залученням БПЛА квадрокоптерного типу в лабораторних та натурних умовах.
Практична значимість роботи полягає в подальшому розвитку засобів повітряного шумопеленгування, а саме створення оригінальних комбінованих пристроїв виявлення БПЛА та впровадження віртуальних інструментів для пеленгування і виявлення на основі лабораторного пакету програм LabView та MathLab.
Основний зміст дисертаційної роботи викладено в чотирьох розділах та додатку.
У вступі сформульовано мету та визначено цілі розробки, обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, описано методи дослідження, надана інформація про наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.
Перший розділ роботи присвячено формулювання проблеми та огляду сучасного стану задач шумопеленгування БПЛА. Основну увагу приділено мультисенсорним системам, тобто таким, що сукупно використовують методи акустичного, оптичного та радіолокаційного виявлення і водночас аналізують отримані дані різних типів. В розділі також наведено основні характеристики сучасних мультисенсорних систем. Отриману інформацію можна застосовувати для майбутньої реалізації системи шумопленгування повітряних об’єктів в програмному середовищі LabView.
У другому розділі приведено математичні та фізичні засади методології виявлення та пеленгування. Досліджено існуючі методи та алгоритми обробки та аналізу шумів навколишнього повітряного середовища. Також в другому розділі представлені теоретичні засади щодо розрахунку енергетичної дальності. запропоновано тракт спектрального аналізу, як перспективний засіб виявлення. Розглянуто можливість впровадження тракту спектрального аналізу у склад мультисенсорного комплексу виявлення та пеленгування БПЛА. Запропоновано систему виявлення та пеленгування корисних шумоподібних сигналів, що має містити чотири тракти, фізична реалізація виявлення в яких виконується програмною реалізацією алгоритмів виявлення та, пороговою обробкою та індикацією результатів. Розглянуто шумоподібні сигнали і завади в задачах шумопеленгування та отриману інформацію можна застосовувати для майбутньої реалізації системи шумопленгування повітряних об’єктів в програмному середовищі LabView.
Третій розділ роботи присвячено технічним рішенням реалізації пристрою шумопеленування БПЛА. Для реалізації пристрою було використано програмний пакет LabView. LabVIEW (англ. Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) — платформа та середовище розробки для візуальної мови програмування компанії National Instruments (США). Метою даної мови є автоматизація використання обчислювального та вимірювального лабораторного обладнання. Оцінено якість і переваги програмного середовища розробки LabView. Представлено тракт виявлення і пеленгування, що є результатом наукового дослідження методології акустичного виявлення повітряних об’єктів. Окреслено схему та описано її компонування і роботу за цією схемою. Приведено схему реалізації тракту виявлення і пеленгування, описано їх робота та розписано усі складові компоненти схеми та їх характеристики у складі пристрою виявлення і шумопеленгування. Представлено мультикомпонентну векторну акустичну антену пристроїв виявлення та пеленгування. Дана антена може працювати як пристрій, що забезпечує реєстрацію як скалярних, так і векторних характеристик. На основі вказаної антени показано застосування адитивних операцій, що до можливості формування характеристик направленості різних типів. Слід зауважити, що ця антена в силу використання додаткових приймачів може бути віднесеною як до області повітряної, так і до області гідроакустики.
Четвертий розділ присвячено проведенню експериментальних досліджень, які відбувалися шляхом лабораторного та натурного експерименту. Описано підготовку матеріальної бази та схеми експерименту, збирання вимірювального стенду та самі результати.
В додатку представлено методику розрахунку дальності для різних можливих варіантів реалізації та використання приладу. Визначено та враховано завадостійкості акустичної антени. Проведено попередню оцінку результуючої завадо-сигнальної ситуації. Враховано наявність зелених насаджень, інженерних наземних об'єктів, турбулентності. І в результаті визначено прогнозовану дальність виявлення БПЛА різних типів (квадрокоптер і крило), що включає геометричну та енергетичну дальності.
Галузь застосування: акустичні вимірювання
Опис
Ключові слова
виявлення, пеленгування, БПЛА, інтенсивність, спектр, повітряний шумопеленгатор, прийомник градіенту тиску, фаза, амплітуда, спектральні характеристики, акустичні шуми, методи пеленгування, пристрої виявлення, detection, direction finding, UAV, intensity, spectrum, aerial sound locator, gradient receivers of pressure, phase, amplitude, spectral characteristics, acoustic noises, direction finding methods, detection devices
Бібліографічний опис
Козак, А. В. Робота акустичних систем в умовах шумових навантажень : дис. … д-ра філософії : 171 Електроніка / Козак Андрій Віталійович. – Київ, 2023. – 187 с.