A K A D E M I A M A R Y N A R K I W O J E N N E J. ISSN X e-issn DOI: / X KWARTALNIK

Transkrypt

1 A K A D E M I A M A R Y N A R K I W O J E N N E J i m. B o h a t e r ó w W e s t e r p l a t t e ISSN X e-issn DOI: / X KWARTALNIK ROK LIV Nr 3 (194) GDYNIA 2013

2 R A D A N A U K O W A prof. Leif Bjørnø (Dania); dr hab. inż. Krzysztof Czaplewski, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Stanisław Dobrociński; prof. dr hab. inż. Antoni Drapella; prof. dr kpt. ż.w. Daniel Duda; kontradm. dr inż. Czesław Dyrcz; prof. dr hab. inż. Andrzej Felski; prof. dr hab. inż. Krzysztof Ficoń; dr hab. inż. Jerzy Garus, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Franciszek Grabski; dr hab. inż. Grażyna Grelowska, prof. AMW; dr hab. inż. Andrzej Grządziela, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Zygmunt Kitowski; dr hab. inż. Ryszard Kłos, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Eugeniusz Kozaczka; prof. dr Gvidonas Labeckas (Litwa); dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW; prof. dr hab. inż. Leszek Piaseczny; prof. dr hab. inż. Cezary Specht; prof. dr hab. inż. Zbigniew Wiśniewski; dr hab. inż. Bogdan Żak, prof. AMW K O M I T E T R E D A K C Y J N Y Redaktor naczelny kontradm. dr inż. Czesław Dyrcz Redaktorzy tematyczni: prof. dr hab. inż. Stanisław Dobrociński (mechanika techniczna) prof. dr hab. inż. Antoni Drapella (informatyka) prof. dr hab. inż. Andrzej Felski (nawigacja) dr hab. inż. Jerzy Garus, prof. AMW (automatyka i robotyka, mechatronika) prof. dr hab. Franciszek Grabski (matematyka) dr hab. inż. Grażyna Grelowska, prof. AMW (hydroakustyka) dr hab. inż. Andrzej Grządziela, prof. AMW (budowa i eksploatacja maszyn) dr hab. inż. Artur Makar, prof. AMW (hydrografia) Redaktor statystyczny dr inż. Agata Załęska-Fornal Redaktor językowy/sekretarz mgr Beata Różańska Członek KR z głosem doradczym dr Lesław Mroziński Wszystkie artykuły zostały zrecenzowane Pierwotną (referencyjną) wersją czasopisma jest wersja on-line Zeszyty Naukowe AMW są indeksowane w BazTech: oraz Index Copernicus: Artykuły Zeszytów Naukowych AMW są dostępne w wersji elektronicznej na stronie: (zakładka: Nauka Zeszyty Naukowe AMW) Redakcja Zeszytów Naukowych Akademii Marynarki Wojennej Gdynia, ul. J. Śmidowicza 69 tel b.rozanska@amw.gdynia.pl Druk i oprawa Wydawnictwo Akademickie AMW

3 S P I S T R EŚCI Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński Wykorzystanie rejestratorów zastosowania bojowego do oceny kierowania ogniem... 7 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch Rozwiązanie konstrukcyjne hamowni podwoziowej małej platformy bezzałogowej Karolina Chorzewska Zastosowanie dyskretnej transformaty Fouriera do poprawy jakości obrazów sonarowych Stanisław Duziak Szumy podwodne małej jednostki Zbigniew Dziopa Model ruchu wyrzutni okrętowej opisany przez transformacje układów współrzędnych Krzysztof Ficoń Zastosowanie rozmytych sterowników Mamdaniego do określania ryzyka wieloczynnikowego Stanisław Kołaczyński Założenia nawigacji nominatywnej Edyta Ładyżyńska-Kozdraś Równania Maggiego w modelowaniu ruchu torpedy naprowadzanej metodą trójpunktową na okręt podwodny

4 Spis treści Marek Łutowicz, Dominika Cuper-Przybylska Koncepcja tłokowego silnika o spalaniu wewnętrznym z regeneracją ciepła Krzysztof Różański, Andrzej Felski Kompas satelitarny jako kompas na rejony polarne Mariusz Specht Wojskowe odbiorniki GPS z modułem SAASM wprowadzenie do zagadnienia

5 C O N T E N T S Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński Use of combat recorders to assess fire control... 7 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch Construction of chassis dynamometer stand of small unmanned vehicle Karolina Chorzewska Digital Fourier transformation for sonar image improvement Stanisław Duziak Underwater noise in a small vessel Zbigniew Dziopa Shipboard launcher motion model described with transformation of coordinate systems Krzysztof Ficoń Application of Mamdani fuzzy controllers in specification of multifactorial risk Stanisław Kołaczyński Assumptions for nominative navigation Edyta Ładyżyńska-Kozdraś Application of Maggi equations to traffic modeling of torpedo guided with three-point method to submarime Marek Łutowicz, Dominika Cuper-Przybylska Concept of internal combustion engine with heat regeneration

6 Contents Krzysztof Różański, Andrzej Felski Satellite compass as compass for polar regions Mariusz Specht The military GPS receivers with SAASM problem introduction

7 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIV NR 3 (194) 2013 Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski Wyższa Szkoła Oficerska Sił Po wietrznych Wydział Lotnictwa Dęblin, ul. Dywizjonu 303/35 tetrazen@wp.pl; ryszard.vogt.@gmail.com; gamelo@wp.pl Leszek Cwojdziński Departament Polityki Zbrojenio wej MON Warszawa, al. Niepodległości samolot22l@wp.pl DO I: / X/ W Y K O R Z Y S T A N I E R E J E S T R A T O R Ó W Z A S T O S O W A N I A B O J O W E G O D O O C E N Y K I E R O W A N I A O G N I E M STRESZCZENIE W artykule przedstawiono możliwości wykorzystania rejestratorów zastosowania bojowego na współczesnych statkach powietrznych w funkcji przyrządów do nauki oraz doskonalenia umiejętności w zakresie kontroli użycia uzbrojenia, nauki celowania, przechwycenia i sterowania środkami bojowymi. Słowa kluczowe: rejestrator bojowy, statek powietrzny, obiekt techniczny, środek bojowy. WSTĘP Współczesne samoloty i śmigłowce wojskowe są obiektami bardzo złożonymi, a ich optymalna eksploatacja pod względem efektywnego zastosowania bojowego jest zadaniem trudnym. Fakt, iż zawsze mamy do czynienia z układem człowiek maszyna, zmusza nie tylko do analizy obiektu technicznego, jakim jest samolot lub śmigłowiec, jego rozwiniętych systemów pokładowych i systemów uzbrojenia, ale również do analizy zachowań pilota. Rozwój w dziedzinie techniki 7

8 Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński i informatyki, który dokonał się przez kilkadziesiąt ostatnich lat, pozwala na konstruowanie coraz bardziej rozwiniętych układów oraz urządzeń rejestrujących i przetwarzających ogromne strumienie informacji o eksploatowanym statku powietrznym. Rejestrują one informację o pracy funkcjonujących na nim urządzeń, wspomagając decyzje użytkowe, diagnostyczne i obsługowe. Ważnym argumentem za wdrażaniem oraz rozwojem takich układów i urządzeń są względy ekonomiczne. Eksploatacja techniki lotniczej jest bardzo kosztowna, a najnowsze osiągnięcia w dziedzinie urządzeń rejestrujących i deszyfrujących dane z lotu pozwalają na znaczne zmniejszenie jej kosztów. PODZIAŁ REJESTRATORÓW Zapotrzebowanie na coraz nowsze urządzenia przeznaczone do rejestracji i analizy wykonywanych zadań z wykorzystaniem statków powietrznych przyczyniło się do konieczności sklasyfikowania tych urządzeń w zależności od przeznaczenia. Urządzenia te nazwano rejestratorami pokładowymi i przydzielono do następujących grup: rejestratory parametrów lotu (FDR Flight Data Recorder), szybkiego dostępu (QAR Quick Access Recorder), dźwięku (CVR Cockpit Voice Recorder) oraz rejestratory specjalne. Rejestratory zastosowania bojowego wchodzące w skład rejestratorów specjalnych wraz z pozostałymi urządzeniami tego typu tworzą grupę urządzeń obiektywnej kontroli pracy uzbrojenia samolotów i śmigłowców bojowych. Rozwój tych urządzeń został wymuszony przez szybką ewolucję współczesnych statków powietrznych, jak również coraz większe wymagania stawiane lotnictwu wojskowemu i samemu pilotowi. Możliwości współczesnych statków powietrznych zmuszają do racjonalnego szkolenia załóg w różnych warunkach, co łączy się z potrzebą systematycznej i obiektywnej kontroli wyników szkolenia, szczególnie z zakresu zastosowania bojowego. Do nauki sterowania uzbrojeniem na statkach powietrznych niezastąpione stają się rejestratory zastosowania bojowego, które zapisują przebieg użycia uzbrojenia. Informacje te są wykorzystywane w procesie szkolenia pilotów i operatorów uzbrojenia. Służą również do kontroli sprawności systemów uzbrojenia i środków bojowych. Zapisują takie informacje, jak wybór wariantu uzbrojenia, przechwycenie i utrata celu, odpalenie lub zrzut środka bojowego, zniszczenie celu. 8 Zeszyty Naukowe AMW

9 Wykorzystanie rejestratorów zastosowania bojowego do oceny kierowania ogniem Do kontroli użycia uzbrojenia i oceny skutków kierowania ogniem na statkach powietrznych stosuje się urządzenia fotokontrolne, wykonujące zdjęcia rzeczywistego celu (np. S-13, AKS-5), fotografujące jednocześnie cel i zobrazowanie celownika półautomatycznego (np. SSz-45), urządzenia rejestrujące zobrazowanie wyświetlacza przeziernego (jak HUD Head-Up Display czy DVR Digital Video Recorder), urządzenia rejestrujące parametry przechwycenia celu przez szkolny pocisk rakietowy (np. 5Cz-61) oraz rejestrujące użycie uzbrojenia (np. Tester U3-Ł, ATM-QR6D). Pozwalają one obsłudze statku powietrznego na doskonalenie umiejętności w zakresie przygotowania uzbrojenia oraz kierowania ogniem. Realizowanie coraz bardziej skomplikowanych zadań bojowych oraz wymagania stawiane załogom statków powietrznych powodują, że urządzenia obiektywnej kontroli pracy i zastosowania uzbrojenia z każdym dniem odgrywają coraz większą rolę. Obecność tego typu urządzeń na pokładach współczesnych samolotów i śmigłowców bojowych jest uzasadniona i niezbędna. WYKORZYSTANIE REJESTRATORÓW ZASTOSOWANIA BOJOWEGO F o t o k a r a b i n y Fotokarabin jest aparatem fotograficznym rejestratorem zastosowania bojowego przeznaczonym do fotografowania rezultatów strzelania z broni pokładowej samolotu lub śmigłowca do celów powietrznych i naziemnych oraz do wykonywania ćwiczeń szkoleniowych podczas strzelania i bombardowania. Fotokarabin zainstalowany na bojowym statku powietrznym połączony jest równolegle z pokładowym systemem sterowania uzbrojeniem. Zaczyna funkcjonować po naciśnięciu przycisku bojowego, fotografując na taśmie filmowej cel. Często stosowany jest mechanizm wydłużający czas jego pracy po zwolnieniu przycisku bojowego w celu zarejestrowania dolotu lotniczych środków bojowych do atakowanego celu [9]. Obraz znajdujący się na tle siatki celowniczej umożliwia w miarę dokładną ocenę przebiegu strzelania wraz ze skutkiem prowadzenia ognia. Układ optyczny fotokarabinu może być wyposażony w zegar, którego wskazania są zapisywane na taśmie, co umożliwia odczyt dokładnego czasu rozpoczęcia oraz zakończenia strzelania. Fotokarabiny mogą być zamontowane wewnątrz kabiny na głowicy celowniczej lub poza nią, na płatowcu (nosek samolotu, śmigłowca, w skrzydle) [1]. 3 (194)

10 Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński F o t o k a r a b i n S Jednym z najpopularniejszych rejestratorów wykorzystywanych w szkoleniu wojskowego personelu latającego jest fotokarabin S-13. Obecnie znajduje się na wyposażeniu samolotu TS-11 oraz śmigłowców Mi-24, Mi-2 i W3W. Przeznaczeniem fotokarabinu S-13 jest rejestrowanie przebiegu strzelania (ćwiczebnego i bojowego ) wykonywanego przez personel latający. Tabela 1. Podstawowe dane techniczne wybranych fotokarabinów Typy Podstawowe dane techniczne fotokarabinów S-13 szerokość taśmy filmowej: 35 mm liczba zdjęć w kasecie: 150 (5,2 m) ogniskowa obiektywów: Industar-10: 50 mm; FED-100: 100 mm rozmiar zdjęcia: 24 x 30 mm szybkość fotografowania: 8±2 zdjęcia/s czas ekspozycji: 1/100 s czas fotografowania ciągłego: 19,6 s SSz-45 stosowana taśma filmowa: perforowana z dwóch stron 35 mm wymiar zdjęcia: 34 x 25 mm; długość taśmy filmowej w kasecie: 3,6 m prędkość fotografowania przy napięciu 27±10%: 10±2 zdjęcia/s czas ekspozycji (stały): 1/150 s minimalny czas ciągłego fotografowania przy napięciu 27 V: 9,7 s zakres temperatur, w których aparat może być używany (z ogrzewaniem): od 60 do +80 C. AKS-5 stosowana taśma: 35 mm, perforowana wymiar zdjęcia: 18 x 24 mm zapas taśmy w kasecie: 10 m (510 zdjęć) prędkość fotografowania: 16 zdjęć/s i 32 zdjęć/s typ obiektywu: F-452 zapas taśmy w kasecie: 10 m (510 zdjęć) FKP-EU stosowana taśma: 35 mm, perforowana wymiar zdjęcia: 25 x 25 mm zapas taśmy w kasecie: 20 m (800 zdjęć) prędkość fotografowania: od 8 do 10 zdjęć/s czas naświetlania: 1/20 s rodzaje fotografowania: w zakresie obserwacji 1 zdjęcie/s w zakresie przechwycenia 2 do 3 zdjęć/s w zakresie strzelania do 8 zdjęć/s liczba obiektywów: 2 ogniskowa obiektywu 1 kanału: 76,1 mm ogniskowa obiektywu 2 kanału: 27,8 mm Źródło: opracowanie własne. 10 Zeszyty Naukowe AMW

11 Wykorzystanie rejestratorów zastosowania bojowego do oceny kierowania ogniem Źródło: Fot. 1. Fotokarabin S-13 Źródło: Fot. 2. Zdjęcie wykonane fotokarabinem SSz-45 3 (194)

12 Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński D i g i t a l V i d e o R e c o r d e r Są to kamery cyfrowe umieszczone przed wskaźnikiem przeziernym HUD rejestrujące przestrzeń przed samolotem (cel) oraz informacje wyświetlane na wskaźniku. Obraz nagrywany jest w wysokiej rozdzielczości i jego odtworzenie pozwala na dokładną analizę oraz ocenę przebiegu misji, strzelania czy walki powietrznej. Zarejestrowane dane dotyczące dolotu do celu, odpowiedniego usytuowania statku powietrznego względem celu czy wreszcie samo ostrzelanie celu są bezcenne w czasie oceny wyszkolenia i kontroli całego procesu kierowania ogniem. Dodatkowo możliwe jest oglądanie obrazu rejestrowanego przez DVR w czasie rzeczywistym na monitorze w drugiej kabinie lub na ziemi. F 1 6 C / D H U D C a m e r a Innym, a zarazem najnowocześniejszym przykładem użycia rejestratora zastosowania bojowego jest cyfrowa kamera telewizyjna będąca na wyposażeniu samolotu F-16. Umieszczona jest za wskaźnikiem HUD i rejestruje przestrzeń przed samolotem. Informacje przedstawiane na wskaźniku są na ten obraz nakładane, a następnie zapisywane w rejestratorze. Źródło: Fot. 3. Kamera DVR zastosowana na samolocie F Zeszyty Naukowe AMW

13 Wykorzystanie rejestratorów zastosowania bojowego do oceny kierowania ogniem Źródło: Typy statku powietrznego F-15CD MSIP HUD Camera F16C/D HUD Camera Fot. 4. Kamera DVR w kabinie samolotu F-16 Tabela 2. Dane techniczne wybranych rejestratorów DVR montowanych na wojskowych statkach powietrznych Podstawowe dane techniczne rejestratora DVR automatyczna przysłona obiektywu możliwość nagrywania w nocy rozdzielczość pozioma: NTSC 470 linii TV szybkość migawki: 1/60 sekundy tryb balansu bieli (ATW), który redukuje migotanie obrazu przy ostrym świetle automatyczna kontrola wzmocnienia (AGC) wzmacnia sygnał, gdy pogarszają się warunki oświetlenia gamma 0.45/1 zasilanie 28 VDC automatyczna kontrola ekspozycji (AEC) możliwość nagrywania w nocy rozdzielczość pozioma: NTSC 470 linii TV szybkość migawki: 1/60 sekundy tryb balansu bieli (ATW), który redukuje migotanie obrazu przy ostrym świetle automatyczna kontrola wzmocnienia (AGC) wzmacnia sygnał, gdy pogarszają się warunki oświetlenia gamma 0.45 waga: ~0,9 kg 3 (194)

14 Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński F/A18 A/B HUD Camera T-45C HUD Camera Alpha Jet HUD Video Camera (2LRU) Źródło: opracowanie własne. automatyczna przysłona obiektywu automatyczna kontrola ekspozycji (AEC) możliwość nagrywania w nocy rozdzielczość pozioma: NTSC 470 linii TV szybkość migawki: 1/60 sekundy tryb balansu bieli (ATW) automatyczna kontrola wzmocnienia (AGC) wzmacnia sygnał, gdy pogarszają się warunki oświetlenia gamma 0.45/1 waga: ~0,9 kg zasilanie: 28 VDC automatyczna kontrola ekspozycji (AEC) możliwość nagrywania w nocy rozdzielczość pozioma: NTSC 470 linii TV szybkość migawki: 1/60 sekundy tryb balansu bieli (ATW), który redukuje migotanie obrazu przy ostrym świetle automatyczna kontrola wzmocnienia (AGC) wzmacnia sygnał, gdy pogarszają się warunki oświetlenia gamma 0.45 zasilanie: 28 VDC automatyczna kontrola ekspozycji (AEC) możliwość nagrywania w nocy rozdzielczość pozioma: NTSC 470 linii TV szybkość migawki: 1/60 sekundy, bez migotania tryb balansu bieli (ATW), który redukuje migotanie obrazu przy ostrym świetle automatyczna kontrola wzmocnienia (AGC) wzmacnia sygnał, gdy pogarszają się warunki oświetlenia gamma 0.45 PODSUMOWANIE Prawidłowe wykorzystanie środków bojowych wiąże się z odpowiednim szkoleniem. Szybkie wykrywanie błędów, utrwalanie prawidłowego rozłożenia uwagi, kształtowanie poprawnych nawyków, wykonywanie odpowiednich czynności w czasie korzystania z systemów uzbrojenia i kierowania nim, wykrywanie przyczyn niecelnych strzelań i bombardowań, niedopuszczanie do zaistnienia zdarzeń, 14 Zeszyty Naukowe AMW

15 Wykorzystanie rejestratorów zastosowania bojowego do oceny kierowania ogniem przesłanek i wypadków lotniczych oraz zwiększanie bezpieczeństwa i skuteczności lotów na zastosowanie bojowe odgrywa bardzo ważną rolę w dzisiejszym lotnictwie bojowym. Rozwój systemów uzbrojenia znajdujących się na współczesnych samolotach i śmigłowcach bojowych powoduje wzrost zapotrzebowania na coraz bardziej skomplikowane urządzenia służące do ich prawidłowej eksploatacji. Rosną również wymagania stawiane personelowi, którego zadaniem jest prawidłowa obsługa tych systemów. Wiąże się z tym odpowiedni proces ciągłego szkolenia oraz ocena jego rezultatów. Niezbędne w tym procesie są dane zarejestrowane przez urządzenia obiektywnej kontroli pracy uzbrojenia. Cyfrowe kamery DVR oraz nowoczesne rejestratory, które są w stanie zapisać ogromną ilość informacji, stały się standardowym wyposażeniem samolotów i śmigłowców bojowych. Warto zainwestować w nowoczesny sprzęt do oceny kierowania ogniem oraz kontroli uzbrojenia w szkoleniu przyszłych pilotów, by ograniczyć koszty i jeszcze bardziej doskonalić poziom ich wyszkolenia. BIBLIOGRAFIA [1] Adamski M., Rozwiązania konstrukcyjne uzbrojenia lotniczego, WSOSP, Dęblin [2] Grzesik N., Zaawansowane systemy uzbrojenia lotniczego, WSOSP, Dęblin [3] Opis, eksploatacja i naprawa fotokarabinu AKS-5, Warszawa [4] Samolot MiG-29, metodyka szkolenia lotniczego, zastosowanie bojowe, Poznań (194)

16 Mirosław Adamski, Ryszard Vogt, Ariel Adamski, Leszek Cwojdziński U S E O F C O M B A T R E C O R D E R S T O A S S E S S F I R E C O N T R O L ABSTRACT The paper presents possibilities of using combat recorders found in modern aircraft as educational tools to train and improve skills required to control use of ordnance, to train aiming, shooting, intercepting and controlling combat means. Keywords: combat recorder, aircraft, technical object, combat weapon. 16 Zeszyty Naukowe AMW

17 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIV NR 3 (194) 2013 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski Leszek Szczęch Wojsko wa Akademia Techniczna Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu Warszawa, ul. ul. gen. Sylwestra Kaliskiego mkarczewski@wat.edu.pl; lszczech@wat.edu.pl DO I: / X/ R O Z W IĄZA N I E K O N S T R U K C Y J N E H A M O W N I P O D W O Z I O W E J M A Ł E J P L A T F O R M Y B E Z Z A Ł O G O W E J STRESZCZENIE W artykule przedstawiono rozwiązanie konstrukcyjne hamowni podwoziowej opracowanej do badań hybrydowego układu napędowego małej platformy bezzałogowej. Hamownia posłuży do badań hybrydowego układ napędowego, gdzie dokonany zostanie pomiar wielkości elektrycznych proporcjonalnych do obciążenia układu napędowego oraz innych wielkości, takich jak temperatura baterii i silników elektrycznych czy zużycia paliwa podczas realizacji cykli obciążenia pojazdu bezzałogowego. Słowa kluczowe: hamownia podwoziowa, badania pojazdu bezzałogowego. WSTĘP Zadaniem skonstruowanej hamowni podwoziowej, jako stanowiska badawczego, jest wytworzenie w sposób sztuczny warunków odzwierciedlających obciążenie występujące w rzeczywistym ruchu pojazdu po drodze. Hamownia powinna symulować zewnętrzne siły oporów ruchu odpowiadające różnorodnym warunkom drogowym. Pozwala to na wyeliminowanie badań drogowych, stwarzając dogodne warunki do przeprowadzenia wszechstronnych badań silnika spalinowego, układu 17

18 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch sterowania platformy, zespołów przeniesienia napędu pod obciążeniem, odpowiadającym rzeczywistym warunkom ruchowym pojazdu [6]. Po przeprowadzeniu analizy rozwiązań podobnych stanowisk zdecydowano, że do badań napędu hybrydowego małej platformy bezzałogowej posłuży rolkowa hamownia podwoziowa o konstrukcji modułowej Hamownie podwoziowe nie mierzą bezpośrednio parametrów pracy silnika, lecz jego osiągi są ustalane na podstawie wielkości mierzonych w sposób pośredni. W przeciwieństwie do hamowni silnikowych, hamownie podwoziowe są proste i szybkie w obsłudze (nie trzeba demontować silnika z pojazdu czy budować specjalistycznych układów dodatkowych), a jednocześnie precyzja pomiaru parametrów charakteryzujących warunki pracy pojazdu jest wysoka, podobnie jak powtarzalność przeprowadzanych testów, chociaż należy się liczyć z powstawaniem poślizgów w styku kół napędowych z rolkami, co może wprowadzić niewielkie błędy pomiarowe. Biorąc pod uwagę zasadę działania, hamownie podwoziowe można podzielić na dwa główne rodzaje: hamownię podwoziową bezwładnościową (inercyjną), która nie ma hamulca wywołującego obciążenie; hamownię podwoziową obciążeniową, czyli taką, która jest wyposażona w hamulec obciążający [6]. ROZWIĄZANIE KONSTRUKCYJNE HAMOWNI PODWOZIOWEJ W wyniku analizy możliwości i wyposażenia znajdującego się w laboratorium silników spalinowych WAT wybrano rozwiązanie rolkowej hamowni podwoziowej obciążeniowej z indywidualnymi elektrycznymi silnikami indukcyjnymi mogącymi pracować w trybie hamowania każdego z kół badanego pojazdu. Stanowisko zaprojektowano w taki sposób, aby umożliwiało przeprowadzenie badania pojazdu w zakresie określenia parametrów osiąganych przez silniki napędowe oraz cały pojazd (moc i moment obrotowy w zależności od prędkości obrotowej, przyspieszenie, siła napędowa, opory i straty w układzie przeniesienia napędu). Stanowisko umożliwia także ocenę prawidłowości działania poszczególnych podzespołów oraz ich regulację podczas pomiaru. 18 Zeszyty Naukowe AMW

19 Rozwiązanie konstrukcyjne hamowni podwoziowej małej platformy bezzałogowej Pojazd (rys. 1.), dla którego zaprojektowano hamownię, ma trzy osie, każde koło napędzane jest oddzielnym silnikiem elektrycznym o mocy P = 2,8 kw. Szacowana masa platformy bez ładunku to około 350 kg. a) b) Źródło: opracowanie własne. Rys. 1. Gabaryty badanej platformy bezzałogowej: a) widok z boku; b) widok z przodu Realizacja pracy wymagała doboru poszczególnych elementów wchodzących w skład stanowiska. Do najważniejszych należy zaliczyć: falowniki sterujące silnikami elektrycznymi hamowni z możliwością odzysku i rozpraszania energii; silniki elektryczne, które mogą pracować również w trybie hamowania; zespoły rolek umożliwiające toczenie się kół; sprzęgło łączące wałek rolki z wałem silnika elektrycznego. W celu poprawnej konfiguracji oraz doboru elementów sformułowano założenia, jakie powinien spełniać układ: hamownia będzie się składać z sześciu niezależnych modułów (trzy lewe oraz trzy prawe lustrzane odbicie); najmniejszy pojazd, dla którego możliwe będzie przeprowadzenie badania powinien mieć rozstaw osi nie mniejszy niż 500 mm, natomiast rozstaw kół nie mniejszy od b = 770 mm; badanie pojazdu ograniczone jest jego masą, która nie powinna przekraczać m = 375 kg na jedno koło; 3 (194)

20 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch maksymalny rozstaw osi oraz kół pojazdu, dla którego może zostać przeprowadzone badanie, ograniczony jest długością łączników mocujących poszczególne moduły oraz dostępnością stabilnego podłoża pomieszczenia przeznaczonego na hamownię; maksymalny moment, jaki przekazuje pojazd po uwzględnieniu przełożenia koło-rolka nie powinien być większy niż M = 50 Nm; maksymalna prędkość liniowa pojazdu nie powinna przekraczać V P = 40 km/h (co równa się prędkości obrotowej rolki ω r = 1000 obr/min); badany pojazd będzie przytwierdzony do stanowiska rolkowego za pomocą pasów, które uniemożliwią jego przemieszczanie; poszczególne moduły hamujące zostaną połączone między sobą za pomocą łączników, które zapobiegną ich przemieszczaniu; każdy z modułów będzie miał jedną rolkę napędową (hamującą) oraz jedną swobodną; jako element napędowy i hamujący zostanie zastosowany asynchroniczny klatkowy silnik elektryczny; w układzie wykorzystany będzie jeden silnik elektrycznych dla jednego modułu hamującego; jeden moduł hamujący przeznaczony będzie do hamowania jednego koła; silniki elektryczne będą sterowane przez falowniki odpowiedzialne za regulację prędkości obrotowej oraz momentu; jeden falownik przeznaczony będzie do nadzorowania jednego silnika elektrycznego; falowniki po jednej stronie mogą być sprzężone w celu uzyskiwania jednakowej prędkości obrotowej na wszystkich silnikach; w układzie elektrycznym związanym z falownikiem i silnikami elektrycznymi znajdzie się rezystor hamujący rozpraszający energię uzyskiwaną w trakcie hamowania pojazdu; za pośrednictwem falowników będzie można nadzorować parametry pracy silnika; temperatura silników hamujących będzie kontrolowana, aby nie dopuścić do przekroczenia przez nie warunków krytycznych; musi być zapewniona możliwość awaryjnego wyłączenia poszczególnych lub wszystkich silników elektrycznych. 20 Zeszyty Naukowe AMW

21 Rozwiązanie konstrukcyjne hamowni podwoziowej małej platformy bezzałogowej Na podstawie założeń oraz warunków, jakie powinno spełniać stanowisko, opracowano schemat blokowy stanowiska hamownianego. Schemat ten (rys. 2.) przedstawia zasadnicze elementy zapewniające prawidłowe działanie projektowanej hamowni. Rys. 2. Schemat blokowy projektowanej hamowni podwoziowej: 1 rama nośna, 2 łożyska, 3 rolki, 4 urządzenie sterujące (falownik), 5 silnik elektryczny, 6 sprzęgło, 7 wałek napędowy, 8 odbiornik energii Źródło: opracowanie własne. Elementy składowe projektowanej hamowni podwoziowej można podzielić na dwie grupy: 1) elementy mechaniczne, do których należą: rama pojedynczego modułu hamowni, rolki, po których toczą się koła wraz z wałkami napędowymi, łożyska toczne podpierające rolki hamowni, sprzęgła łączące wałki napędowe z silnikami hamującymi; 2) elementy elektryczne (sterowania): silnik elektryczny do napędu i hamowania rolek, urządzenia sterujące pracą silnika (falowniki), układ rozpraszania energii (rezystor hamujący). 3 (194)

22 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch Rama nośna modułu stanowi element sprzęgający wszystkie elementy. Projekt ramy nośnej pojedynczego modułu (rys. 3.) opracowywanej hamowni jest ściśle uzależniony od wymiarów zewnętrznych pozostałych elementów projektu, takich jak rozstaw łożysk podpierających wałki, wymiary zewnętrzne rolek czy wymiary silnika elektrycznego. Do wykonania ramy wybrano ceownik o wysokości 100 mm i grubości ścianki 6 mm. Rys. 3. Rama nośna jednego modułu hamowni z widoczną podstawą do zamocowania silnika elektrycznego Źródło: opracowanie własne. Kolejny element hamowni stanowią rolki toczne z wałkami (rys. 4.), po których będzie się toczyć koło pojazdu w trakcie badania. Są to rolki stalowe pokryte cienką warstwą przeciwpoślizgową (korund zatopiony w masie żywicznej). Cały element zapewnia osiągnięcie maksymalnej prędkości liniowej pojazdu V P = 40 km/h. Rolka toczna Pokrywa ustalająca wałek Spaw Wałek Rys. 4. Rysunek złożeniowy rolki, po której toczy się koło hamowanego pojazdu Źródło: opracowanie własne. 22 Zeszyty Naukowe AMW

23 Rozwiązanie konstrukcyjne hamowni podwoziowej małej platformy bezzałogowej W celu zapewnienia odpowiedniego łożyskowania wałków z rolkami w projekcie użyto gotowego dostępnego na rynku zespołu łożyskowego z oprawą stojącą (rys. 5.). Rys. 5. Zespół łożyskowy z oprawą Źródło: Zespoły łożyskowe, For New Technology Network, CAT, No 2000/07-IV-E. Łożysko zostało dobrane z uwzględnieniem nacisków oraz prędkości obrotowej wałka napędowego rolki hamowanej. Ze względu na średnicę wałka wyżej wymienione parametry znacznie przewyższają założone w projekcie. W celu połączenia wału silnika z wałkiem rolki w projekcie przewidziano sprzęgło z zębami łukowymi (rys. 6.) firmy BoWex [3]. Sprzęgło dzięki zastosowanym materiałom jest bezobsługowe. Zapewnia kompensację odchyłek osiowych, promieniowych i kątowych. Rys. 6. Sprzęgło z zębami łukowymi Źródło: Sprzęgło z zębami łukowymi, BoWex, KTR (194)

24 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch Doboru silnika elektrycznego dokonano na podstawie parametrów technicznych hamowanego pojazdu oraz przyjętych założeń do projektu. Z obliczeń oszacowano wartość mocy silnika elektrycznego, która wynosi P = 5,29 kw. Z silników dostępnych na rynku wybrano silnik asynchroniczny klatkowy z obcym chłodzeniem firmy Indukta o mocy P = 5,5 kw, prędkości obrotowej n s = 1000 obr/min i momencie znamionowym 55,3 Nm z wbudowanym enkoderem [4]. Sterowanie silnikami odbywa się za pomocą falowników. Każdy falownik steruje jednym silnikiem elektrycznym. Stosując się do reguły, że suma prądów przy maksymalnym obciążeniu każdego z silników musi być mniejsza bądź równa od znamionowego prądu użytego falownika, w projekcie został zaproponowany falownik firmy Sinus o oznaczeniach SINUS K TBA2X2 (rys. 7.). Rys. 7. Falownik SINUS K TBA2X2 Źródło: Instrukcja obsługi falownika serii sinus K, wersja oprogramowania IFD v2.00x/vtc v2.00x. Dobrany falownik ma funkcję hamowania w standardzie, co pozwala na późniejsze pełne wykorzystanie użytych w projekcie silników elektrycznych. W trakcie hamowania silników zaczynają one pracować jako generatory. 24 Zeszyty Naukowe AMW

25 Rozwiązanie konstrukcyjne hamowni podwoziowej małej platformy bezzałogowej WNIOSKI Projekt hamowni podwoziowej został wykonany dla pojazdu hybrydowego konstruowanego w laboratorium silników spalinowych. Zaprojektowane stanowisko uwzględnia wymiary zewnętrzne pojazdu oraz maksymalny moment przekazywany przez silniki elektryczne na koła. Przyjęta maksymalna prędkość liniowa pojazdu w trakcie badania to V P = 40 km/h. Stanowisko jest w pełni wartościowym urządzeniem do kontroli pojazdów, w znacznym stopniu zautomatyzowanym. Pozwala zmierzyć podstawowe parametry pojazdu, takie jak moment obrotowy w funkcji prędkości pojazdu, oraz symulować obciążenie zewnętrzne (wzniesienia). Zaprojektowane stanowisko jest dość uniwersalne i w pełni przystosowane do dalszych modyfikacji w zależności od potrzeb. Można je wykorzystać w celach dydaktycznych i badawczych. Modułowość hamowni pozwala na wykorzystanie jej przy badaniu pojazdu z dowolną liczbą osi, dlatego też realizacja projektu jest w pełni zasadna. BIBLIOGRAFIA [1] Kurzych D., Projekt wstępny hamowni podwoziowej do badania hybrydowych układów napędowych, praca dyplomowa, Warszawa [2] Instrukcja obsługi falownika serii sinus K wersja oprogramowania IFD v2.00x/vtc v2.00x. [3] Sprzęgło z zębami łukowymi, BoWex, KTR [4] Trójfazowe silniki indukcyjne klatkowe z obcą wentylacją jednofazową, Fabryka Maszyn Elektrycznych S.A. Indukta, KK-04/02, ed. 5. [5] Zespoły łożyskowe, For New Technology Network, CAT, No 2000/07-IV-E. [6] 3 (194)

26 Krzysztof Baszuk, Mirosław Karczewski, Leszek Szczęch CONSTRUCTION OF CHASSIS DYNAMOMETER STAND OF A SMALL UNMANNED VEHICLE ABSTRACT Solution of chassis dynamometer stand is described in the paper. It was taken to investigate of hybrid propulsion system of a small unmanned vehicle. Constructed stand will be used to measure electric parameters proportional to load of hybrid propulsion system. It will be measured during load cycles of the investigated vehicle. Keywords: chassis dynamometer stand, investigation of a unmanned vehicle. 26 Zeszyty Naukowe AMW

27 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIV NR 3 (194) 2013 DO I: / X/ Karolina Chorzewska Dywizjon Zabezpieczenia Hydrograficznego Marynarki Wojennej Gdynia, ul. Rondo Bitwy pod Oliwą karolina.chorzewska@gmail.com Z A S T O S O W A N I E D Y S K R E T N E J T R A N S F O R M A T Y F O U R I E R A D O P O P R A W Y J A K OŚCI O B R A Z Ó W S O N A R O W Y C H STRESZCZENIE W artykule przedstawiono wyniki próby wykorzystania metody usuwania periodycznych zakłóceń z zastosowaniem analizy Fouriera w celu poprawy jakości obrazów sonarowych. Wyznaczenie widma amplitudowego sonogramu umożliwia wyodrębnienie współczynników częstotliwości składowych transformaty Fouriera odpowiedzialnych za występowanie periodycznych zakłóceń na obrazie. Usunięcie wybranych częstotliwości i odtworzenie obrazu za pomocą odwrotnej transformacji Fouriera prowadzi do zminimalizowania efektów zakłóceń i tym samym poprawy jakości sonogramu bez utraty zawartych w nim informacji o obiektach i formach uksztaltowania dna morskiego. Słowa kluczowe: obraz sonarowy, sonogram, cyfrowa analiza obrazu, cyfrowa transformata Fouriera. WSTĘP Obrazy sonarowe otrzymywane są w wyniku procesu przetwarzania sygnału akustycznego w formę wizualną. W procesie tym stosuje się różnego rodzaju korekty umożliwiające zminimalizowanie zniekształceń i zakłóceń. Nie zawsze jednak możliwe jest całkowite wyeliminowanie wpływu czynników mających negatywny wpływ na jakość obrazu. 27

28 Karolina Chorzewska Zauważono, że niektóre z zakłóceń pojawiających się na sonogramach mają charakter w przybliżeniu periodyczny. Narzędziem pomocnym w eliminacji tego typu zakłóceń może okazać się, powszechnie stosowana w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów i znajdująca niekiedy zastosowanie w analizie obrazów, cyfrowa transformata Fouriera (Digital Fourier Transform DFT). Opis zastosowania cyfrowej transformaty Fouriera do wyodrębniania i usuwania niechcianych częstotliwości z obrazów znaleźć można w literaturze dotyczącej cyfrowego przetwarzania obrazów [6, 7, 8]. Cervenka i de Moustier w [3] przedstawili wyniki stosowania korekcji obrazów sonarowych z niskoczęstotliwościowego sonaru bocznego w oparciu o jednowymiarową transformatę Fouriera dla danych pochodzących z pojedynczego impulsu sondującego oraz na podstawie analizy częstotliwości występujących w kolejnych transformatach wzdłuż linii holowania sonaru. W artykule przedstawiono rezultaty próby zastosowania dwuwymiarowej cyfrowej transformaty Fouriera do poprawy jakości specyficznych obrazów, jakimi są sonogramy z sonaru bocznego wysokiej rozdzielczości. PERIODYCZNE ZAKŁÓCENIA NA OBRAZACH SONAROWYCH Sonogram jest to obraz cyfrowy powstały w wyniku digitalizacji sygnału pochodzącego z przetwornika systemu sonarowego. Poziom jasności każdego punktu na sonogramie jest proporcjonalny do natężenia sygnału odbitego od obiektu lub elementu dna. Lokalizacja danego punktu ustalana jest na podstawie pomiaru czasu od wysłania sygnału do odebrania echa. Przykłady sonogramów przedstawione w tym artykule pochodzą z pomiarów wykonanych za pomocą sonaru bocznego (Side Scan Sonar). Obrazy takie złożone są z szeregu linii prostopadłych do kierunku poruszania się przetwornika, zazwyczaj holowanego za rufą jednostki pomiarowej. Każda linia odpowiada jednemu impulsowi sondującemu [1, 3]. Dane sonarowe, ze względu na specyfikę ich pozyskiwania, często ulegają różnego rodzaju zniekształceniom i zakłóceniom. Zakłócenia te są w miarę możliwości usuwane w procesie powstawania obrazu w oparciu o sygnał z sonaru. Blondel [1] proponuje podział tego procesu na trzy etapy: 28 Zeszyty Naukowe AMW

29 Zastosowanie dyskretnej transformaty Fouriera do poprawy jakości obrazów sonarowych 1. Pre-processing. Etap ten stanowi przygotowanie do kolejnych faz. Uwzględnia ewentualne dane z czujników położenia i orientacji przestrzennej sonaru oraz konwersję między formatami danych. 2. Processing. Obejmuje przekształcenie sygnału do postaci regularnej siatki (grid) umożliwiającej powstanie obrazu cyfrowego oraz korekcję geometryczną i radiometryczną. 3. Post-processing. Uwzględnia wszystkie dodatkowe operacje, które nie są niezbędne do interpretacji obrazu sonarowego, ale mogą poprawić jego jakość lub ułatwić analizę takiego obrazu. Korekty zniekształceń geometrycznych i radiometrycznych, niezwykle pomocne albo wręcz niezbędne do prawidłowej interpretacji obrazu, rzadko pozwalają całkowicie wyeliminować zniekształcenia na obrazach sonarowych. Stosunkowo często spotykanymi zakłóceniami są jednolite linie, rozmieszczone wzdłuż lub w poprzek obrazu sonarowego. To efekt problemów z odbiorem sygnału przez przetwornik bądź z przesyłaniem sygnału pomiędzy komponentami systemu sonarowego. Pojawiające się w poprzek sonogramu linie o różniącej się intensywności sygnału są często spowodowane zmianami wysokości holowania sonaru nad dnem [1]. Czasem również jest to efekt ręcznej zmiany ustawienia wartości wzmocnienia gain w czasie wykonywania pomiarów [3]. Na rysunkach 1a i 1b przedstawiono przykłady zakłóceń obrazów sonarowych spowodowanych problemami sprzętowymi. Poziome ciemne linie na tle dobrze zobrazowanych ripplemarków (przypominających fale form ukształtowania piaszczystego dna) na rysunku 1c to przykład zakłóceń spowodowanych prawdopodobnie poruszaniem się sonaru. Należy zwrócić uwagę na fakt, że zakłócenia pojawiają się regularnie i mają określony kierunek względem osi obrazu sonarowego. Umożliwia to zastosowanie przedstawionej poniżej metody usuwania tego typu zakłóceń z obrazu sonarowego. 3 (194)

30 Karolina Chorzewska a b Źródło: opracowanie własne. c Rys. 1. Przykłady zakłóceń na obrazach sonarowych FILTRACJA OBRAZÓW SONAROWYCH W DZIEDZINIE CZĘSTOTLIWOŚCI PRZESTRZENNEJ Obrazy sonarowe, pomimo częstego stosowania ułatwiających pracę palet barw, są obrazami monochromatycznymi. Sonogramy analizowane poniżej to dwuwymiarowe funkcje o wartościach z zakresu (256 poziomów jasności). Pierwszym krokiem było wyznaczenie cyfrowej transformaty Fouriera i zwyczajowa zamiana kolejności fragmentów transformaty. Szczegółowy opis procedury wyznaczania DFT dla obrazów cyfrowych i wykorzystywane tam zależności znaleźć można w literaturze dotyczącej analizy obrazów cyfrowych oraz przetwarzania sygnałów, między innymi w [4, 5, 6, 8, 9]. 30 Zeszyty Naukowe AMW

31 Zastosowanie dyskretnej transformaty Fouriera do poprawy jakości obrazów sonarowych Obliczenia wykonano w programie Matlab, z wykorzystaniem zaimplementowanego w nim algorytmu FFT (Fast Fourier Transformation), opartego na bibliotece FFTW [10, 11]. Transformatę Fouriera, jako macierz zawierającą wartości zespolone, trudno przedstawić wizualnie w czytelny sposób. Zazwyczaj na podstawie części rzeczywistej i urojonej wyznacza się moduł i fazę, według podstawowych zależności znanych z rachunku liczb zespolonych [8]. W ten sposób powstają dwie macierze wartości rzeczywistych, które mogą być przedstawione jako obrazy cyfrowe. W dalszej analizie zasadnicze znaczenie ma macierz modułów, czyli widmo amplitudowe. Samo w sobie nie jest ono wystarczające do odtworzenia obrazu źródłowego, ale na jego podstawie możliwe jest zlokalizowanie i wyodrębnienie struktur o określonej częstotliwości na obrazie wejściowym. Obraz widma amplitudowego transformaty Fouriera jest obrazem wejściowym do dalszej analizy. Wartość środkowego elementu (piksela) odpowiada średniej wartości jasności obrazu. Wartości położone w jego pobliżu to współczynniki niskich częstotliwości przestrzennych (częstotliwość rośnie w miarę oddalania się od środka obrazu). Pod pojęciem częstotliwości przestrzennej rozumie się tu liczbę cykli zmian luminancji na jednostkę długości na obrazie mierzoną w określonym kierunku [2]. Kąt, jaki linia łącząca dany element i środek transformaty tworzy z poziomą osią symetrii obrazu transformaty, odpowiada kierunkowi danej częstotliwości przestrzennej [5, 8]. Znajomość tych zasad jest niezbędna do projektowania filtrów umożliwiających wyodrębnianie określonych częstotliwości w obrazie wejściowym. Rysunek 2. przedstawia obraz źródłowy (rys. 2a) i jego widmo amplitudowe (rys. 2b), pokazane zgodnie z konwencją zobrazowania poszczególnych fragmentów transformaty, opisaną w [8]. Wyraźnie widoczne jasne obszary widma amplitudowego, leżące niemal dokładnie w osi pionowej obrazu, odpowiadają silnym składowym pionowym. Spowodowane jest to występowaniem na obrazie regularnych ciemnych linii, prostopadłych do osi pionowej (do kierunku holowania sonaru). Poprawa tego typu zakłóceń polega na odfiltrowaniu z widma częstotliwościowego wartości odpowiadających tym składowym. Filtr, za pomocą którego wyodrębnione zostaną wybrane częstotliwości, ma postać macierzy o wymiarach równych wymiarom transformaty Fouriera obrazu 3 (194)

32 Karolina Chorzewska wejściowego. W pierwszej fazie tworzenia filtra elementy macierzy, których lokalizacja odpowiada lokalizacji współczynników częstotliwości do usunięcia, otrzymują wartość 0 (czarne fragmenty na rys. 3a). Pozostałe elementy mają wartość 1 (biały obszar na rys. 3a). Taki filtr może już zostać wykorzystany do odfiltrowania niepożądanych częstotliwości. Jednak zastosowanie ostrych krawędzi w macierzy filtra prowadzi do tzw. efektu Gibbsa, czyli nadmiernych oscylacji aproksymacji funkcji szeregiem Fouriera w punktach nieciągłości [8]. Sposobem na zminimalizowanie tego efektu jest wygładzenie macierzy filtra. Do utworzonej macierzy zerojedynkowej zastosowano filtr uśredniający. Rezultat przedstawiono na rysunku 3b. Oprócz wartości 0 i 1 macierz ta zawiera wartości pośrednie na granicy obszarów. a b Rys. 2. Obraz źródłowy (a); widmo amplitudowe, przedstawione w skali logarytmicznej (b) Źródło: opracowanie własne. a b c Rys. 3. Wizualizacja filtra przed zastosowaniem filtra uśredniającego (a); wizualizacja wygładzonego filtra (b); widmo amplitudowe transformaty Fouriera obrazu wejściowego po zastosowaniu metody usuwania zakłóceń (c) Źródło: opracowanie własne. 32 Zeszyty Naukowe AMW

33 Zastosowanie dyskretnej transformaty Fouriera do poprawy jakości obrazów sonarowych Dla obrazów z rysunku 1. wybór filtra wygładzonego lub o ostrych krawędziach nie wpływa znacząco na uzyskany efekt korekty obrazu. Różnice w poziomach jasności odpowiadających sobie pikseli obrazów wynikowych, uzyskanych w procesie korekcji tego samego sonogramu z wykorzystaniem filtra wygładzonego lub o ostrych krawędziach, nie przekraczają dwóch poziomów jasności (przy 256 poziomach jasności w obrazie). Różnica jest więc praktycznie niedostrzegalna. Zadecydowano jednak o przestrzeganiu zasady unikania ostrych krawędzi filtra w celu zapewnienia uniwersalności przedstawionej tu metody. W czasie projektowania filtra należy zwrócić uwagę na środkowy piksel widma. Jego wartość zawiera w sobie informację o średniej jasności całego obrazu [7, 8]. Ingerencja w wartość środkowego elementu transformaty spowoduje przesunięcie zakresu jasności obrazu. Nie należy więc zmieniać tej wartości, chyba że naszym celem jest zmiana średniej jasności sonogramu. Zastosowanie filtra polega na pomnożeniu odpowiednich wartości transformaty Fouriera przez odpowiadające im wartości macierzy filtra. Istotne jest to, że wykorzystujemy tu wartości zespolone transformaty obrazu wejściowego, nie wartości widma amplitudowego. Zobrazowanie widma amplitudowego służyło tylko do ustalenia lokalizacji odpowiednich wartości w macierzy filtra. Wynikiem mnożenia wartości transformaty i filtra jest nowa macierz współczynników zespolonych. Wykorzystując odwrotną transformację Fouriera, wyznacza się z powrotem obraz źródłowy, ale pozbawiony już niechcianych częstotliwości. Rysunek 3c przedstawia wynik prostej transformacji Fouriera dla obrazu końcowego. Widać na nim wyraźnie odfiltrowane częstotliwości. Na rysunku 4. przedstawiono porównanie obrazów przed i po zastosowaniu opisanej tu metody. Wyraźnie widoczne i utrudniające pracę z sonogramem zniekształcenia są ledwie zauważalne na rysunku 4b. Na rysunkach 5 7 przedstawiono wyniki kolejnych etapów zastosowania metody odfiltrowania zbędnych częstotliwości do poprawy jakości obrazu sonarowego, tym razem zawierającego zakłócenia spowodowane prawdopodobnie zmianami parametrów ruchu przetwornika. Zakłócenia zostały całkowicie wyeliminowane na obrazie wynikowym (rys. 7b), przy jednoczesnym zachowaniu dobrego zobrazowania form ukształtowania dna morskiego. 3 (194)

34 Karolina Chorzewska a Rys. 4. Efekt działania metody na przykładzie obrazu z zakłóceniami sprzętowymi: a) obraz przed korekcją; b) obraz po zastosowaniu metody filtracji wybranych częstotliwości przestrzennych Źródło: opracowanie własne. b Jasne obszary w lewym górnym i symetrycznie w prawym dolnym kwadrancie widma amplitudowego (rys. 5b) odpowiadają licznym na obrazie, wyraźnie widocznym ripplemarkom, czyli formom ukształtowania dna, których charakter można również określić jako periodyczny. a b Rys. 5. Obraz źródłowy (a); widmo amplitudowe, przedstawione w skali logarytmicznej (b) Źródło: opracowanie własne. 34 Zeszyty Naukowe AMW

35 Zastosowanie dyskretnej transformaty Fouriera do poprawy jakości obrazów sonarowych a Rys. 6. Wizualizacja wygładzonego filtra (a); wynik prostej transformaty Fouriera obrazu po zastosowaniu metody usuwania zakłóceń (b) Źródło: opracowanie własne. b a Rys. 7. Efekt działania metody na przykładzie obrazu z zakłóceniami wynikającymi ze zmian parametrów ruchu przetwornika: a) obraz przed korekcją; b) obraz po zastosowaniu metody filtracji wybranych częstotliwości przestrzennych Źródło: opracowanie własne. b PODSUMOWANIE Zastosowanie przedstawionej tu metody usuwania periodycznych zakłóceń z wykorzystaniem dwuwymiarowej cyfrowej transformaty Fouriera prowadzi do wyraźnej wizualnej poprawy obrazów sonarowych, co ułatwia pracę z nimi i może być wstępnym etapem do dalszej analizy i przetwarzania tego typu obrazów. Zasadniczym mankamentem metody jest konieczność manualnego wskazania komponentów widma amplitudowego, odpowiadających zbędnym częstotliwościom, w celu utworzenia odpowiedniego filtra. Należy jednak pamiętać, że widmo 3 (194)

36 Karolina Chorzewska amplitudowe samo w sobie jest również obrazem cyfrowym, co otwiera możliwość zastosowania metod cyfrowego przetwarzania obrazów w celu wyodrębnienia fragmentów spełniających określone założenia. Możliwe jest więc rozszerzenie metody o automatyzację procesu tworzenia macierzy filtra. BIBLIOGRAFIA [1] Blondel P., The handbook of sidescan sonar, Springer Praxis Books, Chichester [2] Boreman G. D., Modulation Transfer Function in Optical and Electro-Optical Systems, SPIE Press, Bellingham, WA, [3] Cervenka P., de Moustier C., Sidescan sonar image processing techniques, IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1993, 18, pp [4] Gonzales R. C., Wintz P., Digital image processing, Addison-Wesley Publishing Company, Knoxwille, TN, [5] Mather P., Koch M., Computer Processing of Remotely-Sensed Images: An Introduction (4th Edition), Wiley, Hoboken, NJ, [6] Pratt W. K., Digital image processing, John Wiley & Sons, Inc., New York [7] Russ J. C., The image processing handbook, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, FL, [8] Russ J. C., Introduction to image processing and analysis, CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, FL, [9] Tadeusiewicz R., Kohorda P., Komputerowa analiza i przetwarzanie obrazów, Wydawnictwo Fundacji Postępu Telekomunikacji, Kraków [10] ( ). [11] ( ). 36 Zeszyty Naukowe AMW

37 Zastosowanie dyskretnej transformaty Fouriera do poprawy jakości obrazów sonarowych D I G I T A L F O U R I E R T R A N S F O R M A T I O N F O R S O N A R I M A G E I M P R O V E M E N T ABSTRACT The paper presents the results of Digital Fourier Transformation (DFT) implementation to enhance sonar images. DFT components responsible for periodic disturbances are eliminated by the filter based on amplitude spectrum of sonar image. Inverse DFT allows reconstructing original dataset, with periodic disturbances highly attenuated and without loss of significant data. Keywords: sonar image, sonograph, Digital Image Processing, Digital Fourier Transformation. 3 (194)

38

39 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MARYNARKI WOJENNEJ ROK LIV NR 3 (194) 2013 Stanisław Duziak Uniwersytet Gdański Wydział Oceanografii i Geografii Gdynia, al. Marszałka Piłsudskiego 46 sduziak@op.pl DO I: / X/ S Z U M Y P O D W O D N E M A Ł E J J E D N O S T K I STRESZCZENIE Artykuł przedstawia wyniki badań in situ przeprowadzone na akwenie Zatoki Gdańskiej w celu pomiaru i analizy szumów generowanych przez jednostkę morską. Otrzymane wyniki są wstępem do opracowania metod opisu dźwięków generowanych przez jednostki, a także fazy ich przejścia względem obiektu pomiarowego. Słowa kluczowe: szumy morza, hydroakustyka, identyfikacja. WSTĘP Szumy otoczenia w morzu stanowią złożony proces, który jest połączeniem wielu składowych źródeł, a te można podzielić na dwie główne grupy: pochodzenia naturalnego i technicznego [17, 19]. Tło naturalne związane jest z procesami fizycznymi i biologicznymi zachodzącymi w akwenach morskich. Do głównych źródeł szumów naturalnych zaliczamy: szumy wywołane falowaniem, opadami deszczu, oddziaływaniem wiatru na powierzchnię wody, kawitacją pęcherzyków w wodzie, pękaniem bryły lodowej, ruchami płyt tektonicznych, a także dźwiękami wydawanymi przez zwierzęta morskie, takie jak ryby i bezkręgowce [3]. W tło szumów wmieszane są także dźwięki pochodzenia technicznego. Do głównych ich źródeł zaliczamy transport morski oraz infrastrukturę portową, głównie prace związane z funkcjonowaniem portów, ale także z budową i pracą ferm wiatrowych, wież wiertniczych itp. [4, 16]. 39

40 Stanisław Duziak Wiele dźwięków możemy jednoznacznie określić jako szumy. Charakteryzują się one bardzo bogatym i chaotycznie zmiennym widmem. W jednym i drugim przypadku szumy mogą być przydatne lub powodować zakłócenia w pracy systemów hydroakustycznych. Fundamentalną pracą do dziś cytowaną powszechnie przy klasyfikacji szumów morza jest publikacja Wentza wydana 1962 roku (oparta na badaniach i analizie Knudsena 1948), która uwzględnia większość źródeł szumów morza. Na schemacie, jaki został przedstawiony u Wentza, wyszczególniono poziom widmowy szumów pochodzenia naturalnego i technicznego. Rys. 1. Rozdział gęstości widmowej mocy szumów Źródło: na podstawie G. M. Wenz, Acoustic ambient noise in the Ocean: Spectra and Sources. 40 Zeszyty Naukowe AMW