<<
>>

Алгоритмы обработки информации канала ультразвукового зондирования толщи воды (УЗК) и оптического локатора поверхности воды.

Алгоритм обработки информации УЗК,

⅛ УЗК при зондировании толщи воды на ходу судна, в дрейфе или на

якорной стоянке решает следующие основные задачи:

- выявление в толще воды слоев с аномальными звукорассеивающими характеристиками (биогенные образования, грязевые линзы и т.

п,);

- регистрация профиля дна;

- оценка характера донных отложений (заиленность дна);

- выявление объектов на дне водоёма (затопленная растительность, затонувшие суда и т.п.);

архивирование гидроакустической информации с целью последующего воспроизведения и анализа.

Для решения перечисленных задач используются следующие алгоритмы обработки информации:

-алгоритм формирования массивов эхосигналов;

,.⅛l

'∙

- алгоритм формирования архива;

- алгоритм пространственной обработки;

- алгоритмы визуализации УЗК-информации.

В комплексе могут использоваться как одно -, так и многочастотные ультразвуковые зондирующие станции. По каждому частотному каналу обработка сигналов проводится по одной схеме.

После усиления и детектирования эхосигналы по каждому частотному каналу совместно с синхроимпульсом поступают на входы аналого- цифрового преобразователя (АЦП). По заднему фронту излучаемого синхроимпульса осуществляется амплиту дно-временное квантование эхосигнала с частотой дискретизации Fλ. Частота дискретизации Гд программируется в зависимости от зондируемой глубины в соответствии с таблицей 19.

f0

Таблица 18

Глубина, м Время зондирования, мс Рд,кГц
7,5 10,00 102,41
10 13,33 76,80
20 26,66 38,40
50 66,66 15,36
100 133,33 7,68

Диапазон измеряемых АЦП величин составляет от 0 до 10 В.

Таким образом, по каждому частотному каналу формируется массив данных измерений интенсивности эхосигналов по глубине, определяемый выражением

m=z{u∣lu2.......................................................... un} , (3.5.1)

где «,* - измеряемое значение амплитуды эхосигнала;

А- количество отсчетов, равное 1024.

Пространственная обработка заключается в соответствующей пространственной фильтрации и усреднении эхосигналов в целях повышения контрастности выделения аномальных зон на мониторе персонального

компьютера ультразвукового канала. Алгоритм обработки заключается в следующем:

- из текущих, формируемых при каждом зондировании, массивов т, определяемых выражением (5.1), формируется двумерный стековый массив М из п элементов

«11

М

3⅛I

«12 ■
«22 " ■■ «2«
uΛr2 ’ uNn

(3.5.2)

где М - двумерный стековый массив; і - изменяется от 1 до 7V; j - изменяется от 1 до и;

7V - число элементов по вертикали, N= 1024; п - число элементов по горизонтали;

- формируется одномерный массив А из средних значений п горизонтальных элементов по формулам

А - {λ,} - fa.uζ........................................................................... ⅛}, (3.5.3)

J

- формируется одномерный массив Л путем усреднения массива А окном в К элементов со скольжением в один элемент по формулам

B = ........................ 4} , (3.5.5)

"∕=⅛∙X‰ . (3.5.6)

Величины u1b определяют усредненную интенсивность отраженного сигнала в слое воды, толщина которого определяется величиной К, а глубина величиной /;

- из текущих массивов В формируется двумерный стековый массив C# из L элементов по горизонтали;

- каждому элементу двумерного стекового массива Су в зависимости от

« его значения присваивается один из 16 цветов.

Оператор имеет возможность оперативной установки параметров п , К

и L .

На экране дисплея ПЭВМ при оптимальном выборе параметров сигналов излучения, а также приема, обработки и отображения гидроакустических сигналов, обеспечивается возможность обнаружения и наблюдения в толще воды различных аномалий, в том числе и антропогенного происхождения. Как правило, такие аномалии относятся к

⅛ объемным, протяженным и распределенным гидролокационным объектам,

выделение которых осуществляется непосредственно оператором по интенсивности и распределению в пространстве принимаемых эхосигналов.

Алгоритмы обработки информации оптического локатора.

В СПК оптический локатор поверхности воды используется для

автоматического дистанционного обнаружения нефтяных пленок на поверхности воды. В СПК используется оптический локатор водной поверхности, работающий в ИК-диапазоне. Обнаружение нефтяных пленок на поверхности воды основано на разности коэффициента отражения света от воды и нефтяной пленки. Обнаружение нефтяной пленки осуществляется по следующему алгоритму:

- формируется одномерный массив амплитуд принимаемых сигналов U из N элементов, определемый выражением

U- {ui} ~ {uι, «2 .................................................................. z (3.5.7)

где г - изменяется от 1 до N;

N - параметр, задаваемый оператором, и равный числу отсчетов в массиве; отсчеты снимаются с частотой 0,5 Гц; N изменяется в диапазоне от 10 до 100;

- осуществляется скользящее усреднение сигналов Mi∙ с шагом n = 1 по

формуле

1 n

(3.5.8)

Uc--∑ui ; λ /=1

Т 0, при Uc N,

либо определяется по совпадению двух условий:

- в г-й момент времени аномалия отсутствует;

- в (i+l)-n момент времени Xi+j > N.

Окончание аномалии определяется в момент времени, когда величина Xi становится меньше порога N, при условии, если она остается меньше порога в течение заданного времени Т.

Таким образом, внутри аномалии допускается появление участков, на которых сигнал меньше порога, но

, длительность каждого такого участка не должна превышать Т.

По результатам работы рассматриваемого алгоритма в вахтенном журнале фиксируются:

- название измеряемого параметра;

- тип порога (жесткий или адаптивный, верхний или нижний);

- время начала аномалии;

- время конца аномалии;

- длительность аномалии;

- средний и максимальный уровень сигнала в аномалии.

Алгоритм выделения аномалий по жесткому порогу,

устанавливаемому оператором в соответствии с реальной ситуацией,

складывающейся в акватории

Аномалии по этому алгоритму вычисляются аналогично предыдущему, различие заключается в определении величины порога N.

Величина порога А определяется по формуле

N = Ctm + C2σ, (3.6.1)

где C∣ и С2 - задаваемые параметры;

т - математическое ожидание сигнала на фоне;

σ- среднеквадратичное отклонение сигнала на фоне.

Для ГФХП-каналов аналогично предыдущему могут использоваться одновременно два порога (верхний и нижний), а для каждого порога используются свои значения параметров С/ и С2 , причем С2 ≥ 0 для верхнего порога, C2 ≤ 0 для нижнего порога.

Фоновые значения т и σ определяются оператором одним из следующих способов:

- устанавливаются оператором;

- оператор отмечает начало и конец работы на фоновом участке. На этом участке вычисляются т и σπo формулам

m- ' ∑X, , (3.6.2)

n⅛,

σ = J--∙∑(χi -т)‘ - (3.63)

⅞n-l ⅛,

где п - количество отсчетов на выбранном интервале;

Xi - значение измеряемого параметра в /-й момент времени;

- значения т и σ вычисляются по отсчетам, хранящимся в архиве, на участках, задаваемых оператором. Таких участков может быть несколько. Участки задаются либо по времени начала и конца каждого участка, либо отмечаются курсором на траектории движения судна.

Во всех случаях оператору предоставляется возможность просмотреть полученные значения т и σκ в случае необходимости откорректировать их.

Алгоритм выделения аномалий по адаптивному порогу

Алгоритм выделения аномалий по адаптивному порогу отличается от алгоритмов выделения аномалий по жесткому порогу, рассмотренных выше, тем, что величины т и σ в формуле (3.6.1) не являются постоянными, а непрерывно автоматически корректируются в ходе работы.

Алгоритм начинает работать по команде оператора. При этом оператору предоставляется возможность включать или отключать алгоритм сразу по всем работающим каналам или отдельно по каждому каналу. Для

работы алгоритма оператор должен задать по каждому каналу шесть параметров. Три параметра: C1 , С2 и Т - те же, что и в предыдущем алгоритме, и три новых параметра:

- τ - постоянная времени усреднения, мин;

- Т{ - интервал адаптации, мин;

- Т2 - максимальная длительность аномалии, мин.

Оператору предоставляется возможность установить одинаковые значения параметров одновременно по всем работающим каналам, а в случае необходимости корректировать эти значения по отдельным каналам.

При включении алгоритма вычисляются текущие средние значения mi измеряемого параметра и его квадрата Qi в соответствии с формулами экспоненциального усреднения

mi+l=(l-a)∙mrra-Xt+ι, (3.6.4)

β,÷,=(3-4>a+α∙‰∕, (3.6.5)

α = -A- , (3.6.6)

60 • т

где mi , mi+! - усредненные значения параметра X в /-й и (У+7)-ый моменты

времени;

Qt , Qi+ι - усредненные значения квадрата параметра X в Лй и

(7+7)-ый

моменты времени;

Х+/ - значение измеряемого параметра X в (z+7J-bifi момент

времени;

А - интервал времени между текущими отчетами Xi заданного

канала, с.

В начальный момент времени присваиваются значения m∣=Xi-, Qi=(Xι)2.

По прошествии времени Т с момента начала работы алгоритма начинается вычисление текущих значений порога Т, по формуле

Ni=C1.mi+C2 jQi-miψ

(3.6.7)

Относительно этого текущего порога проводится обнаружение начала

* аномалии аналогично тому, как это делается в алгоритмах, работающих по фиксированным порогам. При обнаружении начала аномалии порог фиксируется и относительно этого фиксированного порога проводится обнаружение окончания аномалии. Если за время t < Т2 конец аномалии не зафиксирован, то принимается решение об обнаружении фронта, при этом вычисляется новое значение порога с учетом всех Xi от начала обнаружения аномалии в формулах (3.6.4) и (3.6.5). Если же за время t < Т2 конец аномалии зафиксирован, то аномалия считается выделенной, при этом

* значения величины Xi , расположенные внутри аномалии, при вычислении средних значений по формулам (3.6,4) и (3.6.5) не учитываются.

При обнаружении фронта в вахтенный журнал заносится запись "фронт" с указанием времени начала фронта и измеряемого параметра. При выделении аномалии в вахтенный журнал заносятся время начала аномалии, название измеряемого параметра, тип аномалии, длительность аномалии, средний и максимальный уровень сигнала в аномалии, величина порога и тип порога для ГФХП-каналов,

* 3.7. Алгоритм автоматизированной оценки объема сброса загрязняющих веществ при маневрировании судна с СПК в районе загрязнения.

Действующие методики расчета ущерба, наносимого природной среде, и, соответственно, размера штрафных санкций, основываются на определении объема сброшенного загрязняющего вещества. Алгоритм оценки объема сброшенного загрязняющего вещества, используемый в комплексе, функционирует следующим образом.

При обнаружении пятна загрязнения проводится специальное

* маневрирование судна для определения размеров пятна. Проводятся пересечения пятна, уточняются его границы и т.д. Результаты измерений оператор может наблюдать на электронной карте, на которую наносится

траектория движения судна с выделенными участками аномальных значений измеряемого параметра. Оператор имеет возможность легко подобрать необходимый масштаб карты для удобного изображения исследуемого пятна загрязнения.

Приняв решение о необходимости оценки объема сброшенного загрязняющего вещества, оператор наносит на электронную карту с выделенными аномалиями границы пятна загрязнения. По команде оператора проводится расчет площади пятна S с учетом масштаба карты.

Если по сигналам оптического локатора проводится выделение пятна, покрытого нефтяной пленкой, то после определения площади пятна оператор вводит с клавиатуры результаты измерения толщины нефтяной пленки в пятне, проведенные с помощью приборов ИТ-1 и ИТ-2 из комплекта устройств для измерения толщины пленки нефтепродуктов. По этим данным вычисляется среднее значение толщины пленки hcp и определяется объем V сброшенных нефтепродуктов по формуле

V = S -hcp -iσ6 , (3.7.1)

где V - объем, м3;

S - площадь пятна, м2;

hep - средняя толщина пленки, мкм.

Если определяется объем загрязняющего вещества, величина концентрации которого измеряется в комплексе, то после вычисления площади пятна загрязнения оператор задает толщину загрязненного слоя. Оценку этой величины оператор проводит на основании данных о глубине расположения датчиков, данных ультразвукового зондирования, сведений о гидрологической обстановке и т. д. После этого по команде оператора по данным электронного архива проводится выделение всех результатов измерений концентраций, проведенных внутри выделенного пятна загрязнения, и вычисляется среднее значение концентрации загрязняющего вещества в пятне Сп.

Оператор выделяет участки траектории, по измерениям на которых вычисляется среднее значение концентрации рассматриваемого загрязняющего вещества на фоне Сф.

Объем D сброшенного загрязняющего вещества определяется по формуле

D = S * H(Cn-Cφ) ∙ 10^6 , (3.7.2.)

где D - объем сброшенного ЗВ, т;

5 - площадь пятна загрязнения, м2;

Н - толщина пятна загрязнения, м;

Сп - средняя концентрация ЗВ в пятне, мг/л;

Сф - средняя концентрация ЗВ в фоне, мг/л.

<< | >>
Источник: Гуральник Дмитрии Леонтьевич. Создание и Внедрение В практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов [Электронный ресурс]: Дис. ... д-ра техн. наук : 03.00.16, 05.11.13 .-М.: РГБ, 2005. 2005

Скачать оригинал источника

Еще по теме Алгоритмы обработки информации канала ультразвукового зондирования толщи воды (УЗК) и оптического локатора поверхности воды.:

  1. Оглавление
  2. 3.1. Обобщенная схема обработки информации в СПК.
  3. Алгоритмы обработки информации канала ультразвукового зондирования толщи воды (УЗК) и оптического локатора поверхности воды.
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -