izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2024-28-1-57-70izvestswsu-1216Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentАмплитудно-частотное смещение, влияющее на точность измерений лага скоростиAmplitude-Frequency Shift Affecting the Accuracy of Velocity Lag MeasurementsЕвсюковП. С.EvsyukovP. S.

Евсюков Петр Сергеевич, инженер-программист

ул. Кирпичная, д. 34а, г. Москва 105187, Российская Федерация

Petr S. Evsyukov, Software Engineer

34a Kirpichnaya str., Moscow 105187, Russian Federation

PetrEvsyukovS@yandex.ruАндрееваО. Н.AndreevaO. N.

Андреева Ольга Николаевна, доктор технических наук, руководитель научно-методического центра

ул. Кирпичная, д. 34а, г. Москва 105187, Российская Федерация

Olga N. Andreeva, Dr. of Sci. (Engineering), Head of Scientific and Methodological Center

34a Kirpichnaya str., Moscow 105187, Russian Federation

nauka@concern-agat.ruЦентральный научно-исследовательский институт «Курс»Central Research Institute «Kurs»2024070420242815770Copyright © Евсюков П.С., Андреева О.Н., 20242024Евсюков П.С., Андреева О.Н.Evsyukov P.S., Andreeva O.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/1216

Целью работы является разработка математической модели для исследования влияния амплитудно-частотного смещения на коэффициент поглощения при использовании лагов скорости с Доплеровским эффектом, различных параметров, таких как размер апертуры, коэффициент поглощения, высота и угол направленности.

Методы

Методы. В данной работе были использованы методы для моделирования смещения амплитудно-частотного сигнала с эффектом Допплера: 1) метод анализа спектра сигналов: используется для изучения частотных характеристик сигналов, включая определение частоты, амплитуды и других параметров; 2) метод численного моделирования: включает в себя использование численных алгоритмов и компьютерных программ например Matlab/Simulink, для моделирования физических явлений, связанных с эффектом Доплера и поглощением; 3) метод обработки сигналов во временной и частотной областях: включает в себя различные техники фильтрации, декомпозиции сигналов и анализа их характеристик во времени и частоте, помогают выявить особенности сигналов; 4) метод математического моделирования: включает в себя разработку математических моделей, описывающих движение объектов и их взаимодействие с окружающей средой.

Результаты

Результаты. В ходе исследования была разработана математическая модель которая исследует влияние различных параметров на амплитудно-частотное смещение в активной акустической системе. Моделирование показало, как размер апертуры, угол наклона, коэффициента поглощения и донное отдаление имеют значительное влияние, а также выявило линейную зависимость между коэффициентами ошибок влияющих на смещение.

Заключение

Заключение. Исследования показали, что амплитудно-частотное смещение оказывает значительное влияние на точность измерений в системе Доплеровского лага. Фазированные массивные приборы демонстрировали преимущества в рамках длительной точности. Сравнение амплитудно-частотного смещения с экспериментальными данными выявило хорошее согласие, что подтверждает адекватность разработанной модели. Однако требуется дополнительное моделирование для проверки влияния других источников ошибок, таких как территориальное, связь боковых лепестков, выравнивание луча и др., и более подробного изучения влияния крена на точность измерений.

Purpose of research of this work is to develop a mathematical model to study the effect of amplitude-frequency offset on the absorption coefficient when using velocity lags with Doppler effect, different parameters such as aperture size, absorption coefficient, height and angle of directivity.

Methods

Methods. In this work, methods were used to model the amplitude-frequency signal shift with the Doppler effect: 1)Signal spectrum analysis method: used to study the frequency characteristics of signals, including the determination of frequency, amplitude and other parameters.2)Numerical simulation method: include the use of numerical algorithms and computer programs such as Matlab/Simulink, to simulate the physical phenomena associated with the Doppler effect and absorption. 3)Signal processing method in time and frequency domains: include various techniques for filtering, decomposition of signals and analyzing their characteristics in time and frequency, help to identify the characteristics of signals. 4)Method of mathematical modeling: include the development of mathematical models describing the motion of objects and their interaction with the environment.

Result

Result. In this research, a mathematical model was developed to investigate the effect of various parameters on the amplitude-frequency displacement in an active acoustic system. The modeling showed how aperture size, tilt angle, absorption coefficient and bottom distance have a significant effect, and also revealed a linear relationship between the error coefficients affecting the displacement.

Conclusion

Conclusion. Amplitude-frequency offset studies showed that this phenomenon has a significant impact on the accuracy of Doppler lag measurements. Phased array instruments showed advantages within the long term accuracy framework. Comparison of the amplitude-frequency offset with experimental data revealed good agreement, which confirms the adequacy of the developed model. However, additional modeling is required to verify the influence of other error sources, such as territorial, side lobe coupling, beam alignment, etc., and to study in more detail the influence of roll on measurement accuracy.

амплитудно-частотное смещениелаг скоростиэхосигналобщая доплеровская фазаэффект Доплерамоделированиедиаграмма направленностиamplitude-frequency offsetvelocity lagechototal Doppler phaseDoppler effectmodelingdirectional patternReferencesГидроакустические навигационные средства / В.И. Бородин, Г.Е. Смирнов [и др.]. Л.: Судостроение, 1983. 262 с.Borodin V.I., Smirnov G.E. Gidroakusticheskie navigatsionnye sredstva [Hydroacoustic navigation aids]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1983.Корякин Ю.А., Смирнов С.А., Яковлев Г.В. Корабельная гидроакустическая техника. СПб.: Наука, 2004.Koryakin Yu.A., Smirnov S.A., Yakovlev G.V. Korabel'naya gidroakusticheskaya tekhnika [Korabelnaya hydroacoustic technique]. Saint-Petersburg, Nauka Publ., 2004.Гусев В.Г. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации. Л.: Судостроение, 1988.Gusev V.G. Sistemy prostranstvenno-vremennoi obrabotki gidroakusticheskoi informatsii [Systems of spatial-temporal processing of hydroacoustic information]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1988.Коняев К.В. Спектральный анализ случайных океанологических полей. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.Konyaev K.V. Spektral'nyi analiz sluchainykh okeanologicheskikh polei [Spectral analysis of random oceanologic fields]. Leningrad, Gidrometeeoizdat Publ., 1981.Полканов К.И., Лоскутова Г.В., Попова О.С. Программный макет перспективного гидроакустического лага // Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики: труды IX Всероссийской конференции. СПб.: Наука, 2008.Polkanov K.I., Loskutova G.V., Popova O.S. [Program layout of a perspective hydroacoustic lag]. Trudy IX Vserossiiskoi konferentsii «Prikladnye tekhnologii gidroakustiki i gidrofiziki» [Proceedings of IX All-Russian conference "Applied technologies of hydroacoustics and hydrophysics"]. Saint-Petersburg, Nauka Publ., 2008.Полканов К.И., Лоскутова Г.В. Пространственно-частотные и частотно- волновые методы описания и обработки гидроакустических полей. СПб.: Наука, 2007.Polkanov K.I.; Loskutova G.V. Prostranstvenno-chastotnye i chastotno-volnovye metody opisaniya i obrabotki gidroakusticheskikh polei [Spatial-frequency and frequencywave methods of the hydroacoustic fields description and processing]. Saint-Petersburg, Nauka Publ., 2007.Кенни А., Лопез Г. Доплеровский гидролокатор: достижения и расширенные области применения // Океан. MTS/IEEE Использование энергии океана, 2012.Kenny A., Lopez G. Doplerovskii gidrolokator: dostizheniya i rasshirennye oblasti primeneniya [Doppler sonar: achievements and extended applications]. Okean. MTS/IEEE Ispol'zovanie energii okeana = Ocean. MTS/IEEE Harnessing Power Ocean, 2012.Кинси Дж. К., Юстис Р., Уиткомб Л. Л. Обзор навигации подводных аппаратов:Kinsey J. K., Eustis R., Whitcomb L. L. Obzor podvodnoi navigatsii podvodnykh apparatov: Poslednie dostizheniya i novye zadachi [A review of underwater navigation of submersibles: Recent advances and new challenges]. Konferentsiya IFAC po manevrirovaniyu i upravleniyu morskimi sudami = IFAC Conference on Maneuvering and Management of Marine Vessels, 2006, vol. 88, pp. 1-12.последние достижения и новые вызовы // Конференция IFAC по маневрированию и управлению морскими судами. 2006. Т. 88. С. 1-12.Bezmen P. A. Investigation of the Operation of the Extended Kalman Filter Supplemented by an Adaptive Digital Filter for Integrating Data from a Mobile Robot Control System. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2020, 24(1): 68-89 (In Russ.). https://doi.org/10.21869/2223-1560-2020-24-1-68-89.Безмен П.А. Исследование работы расширенного фильтра Калмана, дополненного адаптивным цифровым фильтром, для комплексирования данных системы управления мобильным роботом // Известия Юго-Западного государственного университета. 2020; 24(1):68-89. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2020-24-1-68-89.Kalman R.E., Bucy R.S. Novye rezul'taty v lineinoi fil'tratsii i teorii predskazaniya [New results in linear filtering and prediction theory]. Trudy amerikanskogo obshchestva inzhenenrov- mekhanikov = Proceedings of the American Society of Mechanical Engineers, ser. D, 1961, vol. 83, no. 1, pp. 123-142.Калман Р.Е., Бьюси Р.С. Новые результаты в линейной фильтрации и теории предсказания // Труды американского общества инжененров- механиков, сер. Д. 1961. Т. 83. №. 1. С. 123-142.Chelpanov I.B. Optimal'naya obrabotka signalov v navigatsionnykh sistemakh [Optimal signal processing in navigation systems]. Moscow, Nauka Publ., 1967.Челпанов И.Б. Оптимальная обработка сигналов в навигационных системах. М.: Наука, 1967.Shakhtarin B.I. Fil'try Vinera i Kalmana [Wiener and Kalman filters]. Moscow, 2016. 396 p.Шахтарин Б.И. Фильтры Винера и Калмана. М., 2016. 396 с.Andreeva L.P., Ageev E.V. Application of acoustic emission method for control of microcrack formation in spot thin plate welded joint. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University, 2016; 20(2):8-14 (In Russ.).Андреева Л.П., Агеев Е.В. Применение метода акустической эмиссии для контроля образования микротрещины в точечном тонколистовом сварном соединении // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016;20(2):8-14.Papoulis A., Pillai S. V. Veroyatnost', sluchainye peremennye i stokhasti-cheskie protsessy [Probability, Random Variables and Stochastic Processes]. New York, McGraw- Hill Publ., 2002.Папулис A., Пиллай С. У. Вероятность, случайные переменные и стохастические процессы. 4-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2002.Davydov M. N., Lipatova A. P., Tkachenko Y. S. Methods for Estimating the Actual Size of Defects Based on the Lengths of Their Frontal Images. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2019, 23(2): 18-28 (In Russ.). https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-2-18-28Давыдов М.Н., Липатова А.П., Ткаченко Ю.С. Способы оценки реальных размеров дефектов на основе длин их фронтальных образов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2019; 23(2):18-28. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2019-23-2-18-28Vinogradov K.A., Koshkaryov V.N. Absolyutnye i otnositel'nye lagi [Absolute and relative lags]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1990.Виноградов К.А., Кошкарёв В.Н. Абсолютные и относительные лаги: справочник. Л.: Судостроение, 1990.Passi G.S. Tekhnologiya fazirovannykh reshetok – sovremennaya realizatsiya peredovykh reshenii v oblasti UZK, nakoplennykh v proshlom veke [Technology of phased arrays - modern realization of advanced solutions in the field of ultrasonic testing accumulated in the last century]. V mire nerazrushayushchego kontrolya = In the World of Nondestructive Testing, 2009, no 2 (44), pp. 56-64.Пасси Г.С. Технология фазированных решеток – современная реализация передовых решений в области УЗК, накопленных в прошлом веке // В мире неразрушающего контроля. 2009. No 2 (44). С. 56–64.Pinkel R. O stimulirovanii kachestva dannykh doplerovskogo gidrolokatora [On the stimulation of Doppler sonar data quality]. Doklady IEEE, 2-ya rabochaya konferentsiya po tekushchim izmereniyam = IEEE Papers, 2nd Working Conference on Current Measurements, 1982, pp. 113-116.Пинкель Р. О стимулировании качества данных доплеровского гидролокатора // Доклады IEEE, 2-я рабочая конференция по текущим измерениям. 1982. С. 113-116.Mustier K., Wendelboe G. Vendel'boe G Uglovaya zavisimost' vysokochastotnogo obratnogo akusticheskogo rasseyaniya morskogo dna (200-400 kHz) [Angular dependence of high-frequency seafloor acoustic backscattering (200-400 kHz)]. Akademiya akusticheskikh nauk = Academy of Acoustical Sciences, 2011, vol. 130, no. 4.Мустье К., Вендельбоэ Г. Угловая зависимость высокочастотного обратного акустического рассеяния морского дна (200-400 kHz) // Академия акустических наук. 2011. Т. 130. № 4.Francois R. E., Garrison G. R. Pogloshchenie zvuka na osnove okeanicheskikh izmerenii. Chast' I: Chistaya voda i vklad sul'fata magniya [Sound absorption based on ocean measurements. Part I: Pure Water and magnesium sulfate contributions]. J. Acoust. Soc. Am., 1982, vol. 72, no. 3, pp. 896–907.Франсуа Р. Е., Гаррисон Г. Р. Поглощение звука на основе океанических измерений. Часть I: Чистая вода и вклад сульфата магния // Журнал Акустического общества Америки. 1982. Т. 72. № 3. C. 896-907.Франсуа Р. Е., Гаррисон Г. Р. Поглощение звука на основе океанических измерений. Часть I: Чистая вода и вклад сульфата магния // Журнал Акустического общества Америки. 1982. Т. 72. № 3. C. 896-907.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.