Opis ogólny modelu systemu ze stacjonarnymi nadajnikami

Rozwiązania zastosowane w zaprojektowanym i zbudowanym modelu doświadczalnym systemu ze stacjonarnymi nadajnikami wynikają z ograniczeń technicznych związanych głównie z dynamiką odbieranych sygnałów. Sygnały odbierane przez hydrofony są sumą bar-dzo małych sygnałów echa i sygnałów emitowanych przez nadajniki, docierających do hydro-fonów po drodze bezpośredniej. Sygnały te są znacznie większe od sygnałów echa i mogą przekraczać zakresy liniowej pracy elementów odbiornika, a zwłaszcza zakres przetwornika analogowo-cyfrowego. Częstotliwość sygnałów bezpośrednich nie jest obarczona odchyłką dopplerowska, a więc ograniczenie wielkości tych sygnałów może polegać na zastosowaniu filtrów zaporowych na częstotliwościach emitowanych przez nadajniki. Jednakże realizacja analogowych filtrów o częstotliwościach środkowych 100 kHz i 81 kHz i szerokości pasma zaporowego 1 Hz jest praktycznie niemożliwa. W związku z tym zastosowano przemianę częstotliwości, która przesuwa widmo odbieranych sygnałów do zakresu dolnopasmowego.

Częstotliwościom 100 kHz i 81 kHz odpowiadają wówczas częstotliwości zerowe, a pasmo sygnałów obejmuje odchyłki dopplerowskie. Eliminacja zerowych składowych widma jest wówczas możliwa. Brak sygnałów o częstotliwości zerowej w analizie widmowej jest auto-matycznie korygowany w algorytmach przetwarzania sygnałów.

Pobrano z mostwiedzy.pl

Rys. 6.1. Schemat blokowy modelu systemu ze stacjonarnymi nadajnikami

(kolorem niebieskim zaznaczono część podwodną, Hn – hydrofony, PNn – przetworniki nadawcze).

Ogólny schemat modelu doświadczalnego pokazano na rys. 6.1. Model składa się z części podwodnej i części nawodnej. W skład części podwodnej wchodzą dwa przetworniki nadawcze PN1 i PN2 oraz cztery hydrofony z przedwzmacniaczami, oznaczone na rysunku jako H1 ÷ H4. Część nawodną stanowią dwa nadajniki z generatorami, wielokanałowy od-biornik, 16-kanałowy konwerter A/C i komputer.

Dwukanałowy nadajnik składa się z dwóch generatorów sygnałowych oraz z dwóch wzmacniaczy mocy. Generatory generują ciągłe sygnały sinusoidalne o częstotliwościach 100 kHz (nadajnik I) i 81 kHz (nadajnik II), które są wzmacniane we wzmacniaczach mocy i przesyłane izolowanymi kablami do dwóch przetworników nadawczych (odpowiednio PN1

i PN2). Jednocześnie sygnały sinusoidalne z generatorów są podawane do odbiornika, w któ-rym jest dokonywana przemiana częstotliwości sygnałów odebranych przez hydrofony.

Każdy z hydrofonów połączony jest z przedwzmacniaczem zapewniającym wstępne wzmocnienie sygnałów elektrycznych wychodzących z hydrofonu, a także odfiltrowanie za-kłóceń pochodzących głównie od sieci energetycznej oraz dopasowanie impedancji hydrofonu do impedancji kabla połączeniowego.

Kolejną częścią systemu jest wielokanałowy homodynowy odbiornik, czyli odbiornik z przemianą częstotliwości realizowaną przez mnożenie sygnałów odebranych z odpowied-nimi sygnałami nadawanymi. Schemat blokowy odbiornika pokazano na rys. 6.2. Po wzmoc-nieniu, mnożeniu homodynowym i filtracji pasmowo-przepustowej w odbiorniku,

Generator  100 kHz  Generator 

81 kHz 

USB 

H2 

H1  H₄ 

H3 

PN2 

PN1 

Przedwzmacniacz  Przedwzmacniacz 

Przedwzmacniacz 

Przedwzmacniacz 

Nadajnik I

Nadajnik II

16. kanałowy  odbiornik homodynowy 

16. kanałowy przetwornik A/C 

Komputer  AKWEN 

Pobrano z mostwiedzy.pl

16-kanałowy konwerter A/C przekształca sygnały z kanałów odbiorczych na postać cyfrową i poprzez interfejs USB przekazuje je do komputera, gdzie są zapisywane w formie plików w pamięci masowej. Następnie zgromadzone dane przetwarzane są w trybie off-line’owym w środowisku MATLAB^®.

Odbiornik składa się z czterech jednakowych kanałów, z których każdy zawiera wzmacniacz wysokoczęstotliwościowy o regulowanym wzmocnieniu wraz z filtrem górno-przepustowym, 4 mnożniki analogowe i 4 aktywne filtry pasmowo-przepustowe o wzmocnie-niu 50 dB. Ponadto wspólne dla wszystkich kanałów są dwa przesuwniki fazy zapewniające mnożenie kwadraturowe.

Regulacja wzmocnienia ma na celu maksymalne wykorzystanie dynamiki toru od-biorczego przed procesem mnożenia. Dla określonej sytuacji geometrycznej poligonu wzmocnienie ustawia się tak, aby suma sygnałów bezpośrednich odebranych przez poszcze-gólne hydrofony nie doprowadziła do przesterowania całego toru odbiorczego.

Rys. 6.2. Schemat blokowy jednego kanału odbiornika homodynowego.

Sygnały z każdego toru odbiorczego są podawane do czterech mnożników analogo-wych. Sygnały te są tam poddawane kwadraturowemu mnożeniu homodynowemu z dwoma sygnałami, które jednocześnie wysterowują przetworniki nadawcze [45]. Mnożenie homody-nowe powoduje, że częstotliwość sygnału bezpośredniego pochodzącego z danego kanału nadawczego przesuwa się do zera, a z sygnału echa wyodrębniony jest sygnał o częstotliwości poszukiwanej odchyłki dopplerowskiej F [46,47]. Natomiast mnożenie sygnałów z toru od-biorczego ze składową sinusoidalną i kosinusoidalną określonego sygnału nadawczego umoż-liwia odtworzenie znaku odchyłki dopplerowskiej w dalszym procesie zespolonej transforma-cji FFT [47,48] sygnału po konwersji analogowo-cyfrowej. Ilustrują to następujące wzory odnoszące się do pierwszego nadajnika:

sin(2πf1t)

sin(2πf2t)

cos(2πf2t) cos(2πf1t)

Wzmacniacz  50 dB  Filtr pasmowo

przepustowy  1Hz – 2 kHz

Filtr pasmowo przepustowy  1Hz – 2 kHz

Filtr pasmowo przepustowy  1Hz – 2 kHz

Filtr pasmowo przepustowy  1Hz – 2 kHz

Wzmacniacz  50 dB 

Wzmacniacz  50 dB 

Wzmacniacz  50 dB  Przesuwnik 

fazy 90⁰  Przesuwnik 

fazy 90⁰ 

Filtr górno  przepustowy  Wzmacniacz 

60 – 81 dB 

30 kHz hydrofon 

Generator  f1 = 100 kHz 

Generator  f2 = 81 kHz 

Pobrano z mostwiedzy.pl

składowa synfazowa

składowa kwadraturowa

)]}

gdzie amplitudy sygnałów odebranych przez hydrofon, oznaczono jako: sc - odbitego od celu, sb1 - bezpośredniego od nadajnika I, sb2 - bezpośredniego od nadajnika II, f1 jest częstotliwo-ścią sygnału emitowanego przez na nadajnik I, f2 – przez nadajniki II, a φ są fazami odpo-wiednich sygnałów.

Filtracja pasmowo-przepustowa po mnożeniu analogowym ma na celu redukcję dowej stałej odpowiadającej sygnałowi bezpośredniemu oraz usunięcie niepożądanych skła-dowych widma pochodzących od drugiej częstotliwości pracy systemu.

Na rys. 6.3 pokazano widmo sygnału zespolonego x(t)=xi(t)+jxq(t), a na rys. 6.4 widmo sygnału po filtracji pasmowo-przepustowej. Dla przejrzystości rysunków przyjęto dużą czę-stotliwość odchyłki dopplerowskiej F=5 kHz.

Rys. 6.3. Widmo obieranego sygnału Rys. 6.4. Widmo sygnału zespolonego zespolonego. po filtracji.

Pobrano z mostwiedzy.pl