USB3000 - обработка эхо-сигналов

Подробное описание:

Акустическое зондирование широко применятся при исследовании озер, морей и океанов. Научные эхолоты, которые позволяют анализировать акустический сигнал, далеко не всегда доступны исследователям. Основным недостатком эхолотов, имеющихся в наличии, является невозможность сохранения, как отраженного сигнала так и изображения.

 
Рис.1. Рыбопоисковый эхолот FURUNO FCV-1100L

Поэтому на базе эхолота «FURUNO FCV-1100L» (рис.1.) был создан программно-аппаратный комплекс сбора и визуализации эхо-сигнала. В корпусе эхолота бы установлен разъем, на который был выведен усиленный и детектированный аналоговый сигнал с приемных антенн (рабочие частоты 28 и 200 кГц). В качестве аналогово-цифрового преобразователя был применен высокоскоростной 14-разрядный модуль USB3000. Так как пишется огибающая сигнала, то частота оцифровки каждого канала была выбрана 25 кГц. Но высокая производительность USB3000 оказалась полезной при подключении к современным эхолотам (в которых обработкой сигнала занимаются штатные DSP). В таких случаях приходится на высокой частоте оцифровывать несущую, и производить программное детектирование на ПК.

Блок схема комплекса приведена на рис. 2. Ядром системы является программа сбора данных, взаимодействующая с TCP/IP сервером. Программа разработана в среде Delphi, ее окно приведено на рис. 3. Регистрация синхронизируется с эхолотом по излучаемому импульсу и отраженный в водной толще сигнал (эхо-пинг) записывается в отдельный файл. Программа собирает оцифрованные эхо-пинги, привязывает их по времени и координатам и передает серверу. К серверу могут подключаться клиенты по корабельной ЛВС и запрашивать необходимые данные. Таким образом, картинку с эхолота может наблюдать любой компьютер, находящийся в данный момент в сети.

 
Рис.2. Блок схема программно-аппаратного комплекса

 
Рис.3. Окно программы сбора данных

Реализована система визуализации полученных данных (Клиент обработки эхосигнала), как в масштабе реального времени, так и при проведении обработки записанного сигнала. Каждый эхо-пинг отображается в виде отдельного столбца изображения, раскрашенного в зависимости от амплитуды. Окно программы приведено на рис. 4.

В программе возможно изменять чувствительность прибора и амплитудную избирательность визуализации сигнала без настройки аналоговой части, что позволяет получать подробные сведения об объектах с отражательной способностью отличающейся на порядки. Кроме того, имеется возможность увеличивать разрешение по глубине до долей метров, для более детального рассмотрения структуры отраженного сигнала. Также был разработан и применен алгоритм автоматического поиска дна. Предусмотрен расчет глубины с учетом зависимости скорости звука от глубины (полученной, например, при помощи CTD зонда).

 
Рис. 4. Окно клиента обработки эхосигнала

Для экономии записываемой информации был также реализован режим, при котором программа сохраняет каждый полный экран в отдельный файл в формате BMP, с сопутствующим файлом, содержащим информацию о точном времени, и частоте оцифровки каждого столбца изображения.

Для просмотра сохраненных изображений была написана программа (программа просмотра эхограмм), позволяющая определить глубину и пространственно-временные координаты любой точки. Окно программы приведено на рис. 5.

 
Рис. 5. Окно программы просмотра эхограмм

Разработанный комплекс позволяет решать множество практических задач:

• нахождение и изучение газовых выходов со дна озера
• изучение скоплений рыбы, оценка количества и размеров особей
• изучение рельефа дна, построение батиметрических карт, уточнение глубин.
• исследование звукорассеивающих слоев

Верификация разработанного метода расчета глубины с глубиной, полученной CTD зондом, показала, что его внедрение позволило снизить погрешность определения глубин с 3% до 0,1%.

Программно-аппаратный комплекс успешно используется разными лабораториями уже на протяжении трех лет в экспедициях по озеру Байкал. Некоторые результаты его работы приведены на рис. 6-9.

 
Рис.6. Глубоководный выход газа в районе пролива «Ольхонские ворота» оз. Байкал (Изображение получено в дрейфе)

 
Рис.7. Пример построенной батиметрической карты (район грязевого вулкана, оз. Байкал).

 
Рис.8. Выход нефти в Баргузинском заливе (оз. Байкал).

 
Рис.9. Акустическая съемка скопления омуля (оз. Байкал).

Выводы

Использование разработанного программно-аппаратного комплекса позволило, затратив совсем скромную сумму получить результат, аналогичный использованию дорогих фирменных научных эхолотов, таких как Simrad или BioSonics. Как было сказано выше, результатом работы комплекса пользуются несколько крупных лабораторий нашего института, которые в прежние времена работали, что называется, визуально или вообще “вслепую”. Применение ЛВС и мобильность комплекса в целом, благодаря компактным размерам USB модуля оцифровки, позволяет работать на разных научно исследовательских судах нашего института. Программная часть комплекса позволила проводить самостоятельный анализ акустических данных, что в свою очередь сказалось на точности определения глубины. Данный аспект позволяет строить батиметрические карты дна с высоким разрешением для уточнения и корректировки работ геологов. Точное определение позиции подводных объектов позволяет сопровождать спуск и подъем гидрологического оборудования. Автономность и неприхотливость комплекса позволили проводить круглосуточный поиск газовых выходов без участия человека.

Разработанный комплекс не требует повсеместного внедрения, но его необходимость в проведении летних экспедиций на научно исследовательских судах все же обоснована, и, кроме того, позволяет сэкономить бюджетные средства.

Подробнее об устройстве USB3000.