Пространственные характеристики излучающих и приемных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пространственные характеристики излучающих и приемных систем

1. Общие определения

Термин фильтрация означает выделение полезного сигнала на фоне помех и шумов. При этом помехи могут быть различной природы, в частность различные по частоте и иметь различную природу. Так в локации это могут быть помехи от работающих систем, расположенных произвольным образом в пространстве и имеющих различный частотный диапазон, естественные, природные шумы, шумы электронной аппаратуры и различные наводки. Выделение сигналов на фоне шумов в электронных схемах осуществляется простыми и сложными фильтрами, реализуемыми таким образом, чтобы осуществлять необходимую избирательность (выделение) по какому либо признаку. В простейшем случае это полоса частот, в которой работает система. Тогда говорят о частотной фильтрации. Изменение положения центральной частоты, частотной полосы сигнала, спектральных характеристик сигналов требует применения адаптивных фильтров, самонастраивающихся на оптимальный результат фильтрации.

В пространстве аналогично электронным фильтрам строят пространственные фильтры, имеющие пространственную избирательность. Такими системами являются излучающие и приемные антенные системы.

Рассмотрим основные термины и определения, характеризующие пространственную избирательность антенных систем.

АНТЕННАЯ СИСТЕМА-- электрически (электромеханически) управляемая система, предназначенная для излучения и (или) приема акустических, электромагнитных или иных волн. Кроме излучения и приема волн с требуемой направленностью, антенные системы выполняют ряд дополнительных функций: усиления, пространственной и частотной селекций сигнала, самонастройки (адаптации) для обеспечения помехозащищенности, первоначальной обработки сигнала и т.д.

АКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА - антенна, обеспечивающая прием и (или) излучение акустических сигналов в среде и обладающая пространственной избирательностью. Акустические антенны обычно состоят из электроакустических преобразователей, звукоотражающих, или звукопоглощающих экранов, линий электрических коммуникаций, соединяющих преобразователи с цепями формирования и управления характеристиками направленности, несущей конструкции и элементов изоляции акустических антенн от вибраций и шумов объекта носителя. По способу создания пространственной избирательности акустические антенны можно разделить на интерференционные (непрерывные и дискретные), фокусирующие, рупорные и параметрические. По конфигурации акустические антенны подразделяют на линейные (отрезок прямой линии, окружности, дуги и т. д.), поверхностные (плоские, цилиндрические, сферические, конформные и т. д.) и объемные. По режиму работы акустические антенны могут быть излучающими, приемным и (или) приемоизлучающими (обратимыми). Классифицируют акустические антенны также по месту установки (береговые, донные, корабельные, бульбовые, рубочные, носовые, буксируемые). Иногда термин «акустическая антенна» понимают в более широком смысле, включающем и способ обработки сигналов: антенны аддитивные, мультипликативные, адаптивные, самофокусирующиеся и т. д. Излучающие акустические антенны входят в состав тракта излучения. Основные характеристики излучающей акустической антенны: характеристика направленности (ХН), коэффициент осевой концентрации, излучаемая мощность и коэффициент полезного действия. Характеристика направленности акустической антенны зависит от волновых размеров антенны и электроакустических преобразователей и расстояния между их центрами. Шириной главного максимума ХН антенны, уровнем добавочных максимумов, а также направлением оси ХН можно управлять, вводя соответствующие амплитудно-фазовые распределения электрических напряжений, возбуждающих преобразователи, входящие в состав акустической антенны. Излучаемую акустической антенной активную мощность определяют значениями мощностей, подводимой к антенне, и ее КПД (см. Электроакустический КПД антенны). Приемные акустические антенны входят в состав приемного тракта. Основные характеристики приемной акустической антенны: ХН, коэффициент осевой концентрации, помехоустойчивость и чувствительность. В изотропном (постоянном во всех направлениях) поле помех помехоустойчивость акустической антенны равна коэффициенту ее осевой концентрации. Необходимый уровень чувствительности приемной акустической антенны определяется из условия заданного превышения на выходе акустической антенны напряжения от шумов моря над напряжением от электрических шумов усилителя.

АДАПТИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННА - адаптирующимися называют антенны, приемный или излучающий тракт которых в условиях изменяющейся помехо-сигнальной ситуации производит автоматическое введение амплитудно-фазовых распределений, обеспечивающих максимизацию некоторого, наперед заданного параметра (помехоустойчивости, точности пеленгования и др.).

АДДИТИВНАЯ АНТЕННА - аддитивными (компенсированные, некомпенсированные, имеющие или не имеющие фазово-амплитудное распределение и т. д.), называют антенны, сигналы, в каналах отдельных приемников которых подвергаются линейным операциям (усилению, фильтрации, временному или фазовому сдвигу), а затем складываются на сумматоре. антенный шумоочистка адаптивный решетка

АКУСТИЧЕКИЙ ДИПОЛЬ - излучатель или приемник звука, состоящий из двух противофазно включенных ненаправленных излучателей или приемников (монополей), расположенных на малом, по сравнению с длинной волны, расстоянии друг от друга. Диполь имеет направленность в виде косинусоиды.

АМПЛИТУДНО-ФАЗОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ - в теории антенн вводится комплексный коэффициент возбуждения элементов антенны равный отношению нормальной составляющей колебательной скорости поверхности произвольного элемента антенны к нормальной составляющей колебательной скорости поверхности элемента антенны, принятого за опорный. Обычно за опорный элемент принимают лежащий в фазовом центре антенны. Модуль комплексного коэффициента возбуждения называется коэффициентом амплитудного распределения, а аргумент - коэффициентом фазового распределения. Амплитудное распределение вводится изменением напряжений возбуждения на элементах антенны, либо изменением чувствительности (или производительности) элементов антенны в режиме излучения, а в режиме приема возможно изменение коэффициентов усиления предварительных усилителей. Фазовое распределение вводится посредством введения задержек сигналов в каналах антенной системы, либо введением фазовых сдвигов в каналах, что приводит к изменению разности хода лучей в антенне. С помощью амплитудного распределения возможно управление параметрами характеристики направленности - уровнем бокового излучения, шириной характеристики направленности. Линейное фазовое распределение приводит к изменению положения акустического луча, формируемого антенной, в пространстве, а фазовое распределение другого типа может изменять форму характеристики направленности и ее положение, в том числе можно создавать фокусирующие системы на основе введения фазовых распределений.

АНТЕННА С СИНТЕЗИРОВАННОЙ АПЕРТУРОЙ - антеннами с синтезированной (искусственной) апертурой называют антенны, которые за время наблюдения перемещаются на некоторое расстояние, а обработка сигналов обеспечивает направленность, соответствующую антенне, габариты которой определяются всеми положениями реальной антенны за период наблюдения.

АПЕРТУРА - площадь поверхности передающих и приемных антенн, через которую происходит основное излучение и прием энергии волн. Для линейных антенн под апертурой понимают максимальный размер активной поверхности антенны.

ГИДРОАКУСТИЧЕСКАЯ АНТЕННА - акустическая антенна, работающая в водной среде.

ДИСКРЕТНАЯ АНТЕННА - дискретными антеннами называют антенны, состоящие из отдельных преобразователей. Даже в случае плотного расположения преобразователей при подаче к ним электрических напряжений, отличающихся по амплитуде и фазе, нормальная составляющая колебательной скорости точек активной поверхности антенны претерпевает разрывы. Дискретные антенны часто называют антенными решетками.

ИЗЛУЧЕНИЕ ЗВУКА - возбуждение акустических волн в упругой среде, окружающей источник звука.

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ АНТЕННА - интерференционными называют антенны, пространственная избирательность которых в основном образуется в результате интерференции акустических колебаний, вызванных в некоторой точке пространства различными участками колеблющейся поверхности антенны (режим излучения), либо интерференции электрических напряжений на выходах отдельных преобразователей антенны при падении на нее волны от акустического источника (режим приема). Иногда механизм образования пространственной избирательности может быть более сложным: так, если элементы приемной антенны имеют размеры не малые по сравнению с длиной звуковой волны, вначале происходит интерференция механических колебаний в различных точках поверхности отдельных приемников, а потом -- интерференция электрических колебаний от отдельных приемников на сумматоре антенны.

КОЭФФИЦИЕНТ ОСЕВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ - под коэффициентом осевой концентрации акустической антенны понимают отношение интенсивностей, создаваемых антенной и ненаправленным излучателем в дальнем поле на одном и том же расстоянии в направлении оси главного максимума характеристики направленности при излучении антенной и ненаправленным излучателем одинаковых акустических мощностей.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ АНТЕННЫ - электроакустический коэффициент полезного действия антенны равен отношению излучаемой активной мощности антенны к потребляемой активной электрической мощности

ЛИНЕЙНАЯ АНТЕННА - линейной называют непрерывную или дискретную антенну, один из размеров которой больше длины волны или близок к ней, а два других меньше длины волны. Наиболее известны линейные антенны в виде отрезка прямой, дуги, окружности и эллипса.

МОНОПОЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК - (монополь), акустический излучатель сферически симметричных волн. Размеры излучателя малы по сравнению с радиусом не волновой зоны и длиной излучаемой волны в среде. Теоретически представляет собой излучатель нулевого порядка - пульсирующую сферу.

МУЛЬТИПЛИКАТИВНАЯ АНТЕННА - мультипликативными называют антенны, сигналы отдельных каналов которых подвергаются как линейным, так и нелинейным операциям (умножению, возведению в степень и пр.).

НАПРАВЛЕННОСТЬ - свойство, заключающееся в наличии некоторой пространственной избирательности, т. е. способности излучать (принимать) звуковые волны в одних направлениях в большей степени, чем в других. Направленность антенны характеризуется коэффициентом направленного действия (коэффициентом осевой концентрации).

НЕПРЕРЫВНАЯ АНТЕННА - непрерывными называют такие антенны, нормальная составляющая колебательной скорости активной поверхности которых меняется непрерывно от точки к точке.

ОБЪЕМНАЯ АНТЕННА - объемной называют непрерывную или дискретную антенну, состоящую из преобразователей, расположенных вдоль нескольких рядов или слоев внутри некоторого объема.

ОСЦИЛЛИРУЮЩИЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ - цилиндрический или сферический излучатель, работающий на моде колебаний, при которой амплитуда смещений колебательных поверхностей в горизонтальной или вертикальной плоскостях распределены по косинусоидальному закону.

ОСЦИЛЛИРУЮЩАЯ СФЕРА - сферический излучатель, работающий на первой моде колебаний, при этом центр сферы и все точки ее поверхности совершают синфазные колебания вдоль некоторой прямой.

ОСЦИЛЛИРУЮЩИЙ ЦИЛИНДР - излучатель цилиндрической формы, колеблющийся на первой моде радиальных колебаний, при этом центр цилиндра и все точки его поверхности совершают синфазные колебания вдоль прямой, перпендикулярной образующей цилиндра.

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ АНТЕННА - параметрическими называют антенны, пространственная избирательность которых образуется интерференцией колебаний разностной частоты, возникающей при нелинейном взаимодействии акустических волн, излученных антеннами накачки. Параметрическую антенну можно представить в виде объемной, состоящей из вторичных источников, образованных взаимодействием первичных волн накачки. Объем взаимодействия определяется объемом, в котором существуют волны накачки.

ПОВЕРХНОСТНАЯ АНТЕННА - поверхностной называют непрерывную или дискретную антенну, два или три размера активной поверхности которой больше длины волны. Поверхностные антенны бывают плоскими, цилиндрическими, сферическими, конформными (повторяющими конфигурацию носителя) и др.

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ АНТЕННЫ - способность антенны в силу ее пространственной избирательности выделять сигнал на фоне помех. Помехоустойчивость характеризуется величиной коэффициента концентрации.

ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ - закон сложения колебаний, характеризующий принцип независимого наложения колебательных процессов друг на друга при прохождении через данную точку среды одновременно нескольких волн. При этом результирующее смещение частиц среды в любой момент времени является геометрической суммой смещений, вызываемых каждой из волн в отдельности.

ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ - цилиндрический или сферический излучатель, работающий на нулевой моде колебаний, при которой все точки его поверхности имеют одинаковые амплитуды и фазы колебательных смещений.

ПУЛЬСИРУЮЩАЯ СФЕРА - излучатель сферической формы, работающий на нулевой моде колебаний, при которой все точки его поверхности имеют одинаковые амплитуды и фазы колебательных смещений.

ПУЛЬСИРУЮЩИЙ ЦИЛИНДР - излучатель цилиндрической формы, колеблющийся на нулевой моде радиальных колебаний.

РАССЕЯНИЕ ЗВУКА - физическое явление, возникающее при взаимодействии падающей звуковой волны (звукового поля) с объектом, форма поверхности которого и его упругие свойства (волнующаяся поверхность моря, дно и подстилающие породы) обладают выраженной случайной природой. Оно может также возникать при распространении первичной волны через область среды, параметры которой в различных точках пространства - времени претерпевают случайные изменения, феноменологически описываемые пространственно-временными флюктуациями скорости звука. В основе механизма рассеяния звука лежит явление локальных отражений от поверхностных или объемных неоднородностей - стохастических отклонений формы границ и упругих параметров среды распространения звука от некоторых средних значений. Рассеянные звуковые поля, как поля случайной природы, описывают волновым уравнением акустики и вероятностными характеристиками стохастических границ и случайной компоненты поля скорости звука.

САМОФОКУСИРУЮЩАЯСЯ АНТЕННА - самофокусирующимися называют антенны, приемный тракт которых производит автоматическое введение таких временных или фазовых распределений, которые обеспечивают синфазное сложение сигналов на сумматоре антенны при расположении источника сигнала в произвольной точке пространства.

ФАЗОВЫЙ ЦЕНТР АНТЕННЫ - характеристики направленности некоторых типов антенн отличаются одним интересным свойством, заключающемся в том, при фиксированном положении начала координат аргумент характеристики направленности (фазовая характеристика направленности) либо вообще не зависит от направления в пространстве, либо при плавном изменении положения в пространстве точки наблюдения меняет свое значение на . В таких случаях говорят, что антенна имеет фазовый центр, совпадающий с началом координат. Наличие в антенне фазового центра свидетельствует о том, что фронт волны относительно выбранной системы координат сферический. В случае отсутствия фазового центра в рассмотрение вводят некоторый его эквивалент, например, частичный фазовый центр, эквивалентный фазовый центр и др. Антенны обладающие геометрической симметрией имеют фазовый центр.

ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ - один из важнейших параметров антенны, определяющий ее пространственную избирательность. Характеристикой направленности (ХН) излучающей антенны называют отношение давления, развиваемого антенной в дальнем поле на одном и том же расстоянии r от центра антенны в произвольном направлении вектора , соответствующем углам и, ц к давлению, развиваемому этой же антенной в некотором фиксированном направлении, соответствующем углам и0, ц0. ХН приемной антенны называют отношение электрических напряжений, развиваемых на сумматоре под действием звукового давления, от излучателя в дальнем поле, при установке приемной антенны в произвольном и фиксированном направлениях. Обычно направление совпадает с направлением максимального излучения или приема антенны. ХН антенны - величина комплексная. Модуль ее называют амплитудной ХН, а аргумент - фазовой. Физической причиной направленности антенн является интерференция звукового давления, излучаемого преобразователями антенны, а в случае приема - интерференция электрических напряжений от преобразователей на сумматоре. Сечение ХН некоторой плоскостью (обычно горизонтальной или вертикальной) может быть представлено в полярной или декартовой системе координат. ХН обычно описывают шириной главного максимума и уровнями добавочных максимумов, которые зависят от волновых размеров преобразователей, расстояния между их центрами и вида амплитудно-фазового распределения колебательных скоростей излучателей и электрических напряжений приемников. Обычно ХН одной и той же антенны в режимах излучения и приема одинаковы, если амплитудно-фазовые распределения и механические сопротивления не меняются при переходе из одного режима в другой. Направленность антенн зависит от характеристик преобразователей, их количества и взаимного расположения. При графическом изображении часто используют равнозначный термин «диаграмма направленности».

2. Характеристика и диаграмма направленности, их параметры и методы определения

ХАРАКТЕРИСТИКА НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННЫ - один из важнейших параметров антенны, определяющий ее пространственную избирательность. Характеристикой направленности (ХН) излучающей антенны называют отношение давления, развиваемого антенной в дальнем поле на одном и том же расстоянии r от центра антенны в произвольном направлении вектора , соответствующем углам и, ц к давлению, развиваемому этой же антенной в некотором фиксированном направлении , соответствующем углам и0, ц0. ХН приемной антенны называют отношение электрических напряжений, развиваемых на сумматоре под действием звукового давления, от излучателя в дальнем поле, при установке приемной антенны в произвольном и фиксированном направлениях. Обычно направление совпадает с направлением максимального излучения или приема антенны. ХН антенны - величина комплексная. Модуль ее называют амплитудной ХН, а аргумент - фазовой. Физической причиной направленности антенн является интерференция звукового давления, излучаемого преобразователями антенны, в случае приема - интерференция электрических напряжений от преобразователей на сумматоре. Сечение ХН некоторой плоскостью (обычно горизонтальной или вертикальной) может быть представлено в полярной или декартовой системах координат. ХН обычно описывают шириной главного максимума и уровнями добавочных максимумов, которые зависят от волновых размеров преобразователей, расстояния между их центрами и вида амплитудно-фазового распределения колебательных скоростей излучателей и электрических напряжений приемников. Обычно ХН одной и той же антенны в режимах излучения и приема одинаковы, если амплитудно-фазовые распределения и механические сопротивления не меняются при переходе из одного режима в другой. Направленность антенн зависит от характеристик преобразователей, их количества и взаимного расположения. При графическом изображении часто используют равнозначный термин «диаграмма направленности». Функция в геометрическом смысле представляет собой некоторую поверхность, называемую пространственной характеристикой направленности. Направление максимального значения называют акустической осью антенны.

Сечение пространственной характеристики направленности плоскостью, проходящей через акустическую ось, дает характеристику направленности в этой плоскости. Когда поле обладает осевой симметрией, акустическая ось является осью вращения пространственной диаграммы направленности (ДН). В этом случае диаграмма направленности не зависит от азимутального угла , т.е.

Осью симметрии ДН обладают следующие элементы акустических антенн: осциллирующая сфера, круглая поршневая диафрагма и пульсирующий цилиндр. Если диаграмма направленности не обладает осевой симметрией, то ее оценивают в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях. Например, для прямоугольной антенны направленность оценивают в двух главных плоскостях, проходящих нормально через центр антенны и параллельно ее сторонам. Одна плоскость, когда , называют азимутальной, а другую, когда угломестной.

Типичный вид ДН в декартовой системе координат показан на рис. 1а , а в полярных - на рис.1б.

Рис. 1

Часть ДН в пределах углов 20 называют главным или основным лепестком. Угол 20 называют шириной главного лепестка на уровне нулевого излучения. Угловую избирательность антенны оценивают углом или шириной главного лепестка на уровне 0,707 по давлению или 0,5 по мощности. Острота главного максимума оценивается на уровне 0,9 по давлению и соответствует тому минимальному значению изменения ДН, при котором разрешающая способность антенны по пространству является заданной. Знаки лепестков ДН указывают смену фазы и, таким образом, фазовая характеристика представляет угловую зависимость аргумента в виде n, где n= 0,1,2...

Боковые побочные максимумы - располагаются рядом с основным и величина их меньше основного. Добавочные максимумы - расположены сбоку от основного и имеют величину, равную основному максимуму.

Характеристика направленности определяет коэффициент осевой концентрации, который в режиме излучения является мерой излучения энергии в заданном направлении, а в режиме приема мерой помехоустойчивости системы по отношению к внешним помехам.

Определение параметров характеристики направленности осуществляется расчетным путем по математическим моделям систем, либо экспериментально путем измерения параметров по разработанным методикам.

Теоретический расчет коэффициента осевой концентрации проводится по выражениям, полученным для различных систем, а экспериментальный по полученным диаграммам направленности и разработанным методикам.

3. Адаптивные антенные решетки

Еще одним широко используемым приложением адаптивных фильтров являются ААР [1-3, 11] (см. рис. 26), которые представляют собой многоканальный адаптивный фильтр (см. рис. 3) с одним ВК в канале.

Рисунок 26. Адаптивная антенная решетка

Подобно обычным адаптивным фильтрам, в общем случае в алгоритмах вычисления ВК для ААР требуются входные сигналы x1(k), x2(k), …, xm(k), …, xM(k), выходной y(k) и требуемый d(k) сигналы. В то же время в ААР могут быть также использованы алгоритмы, не требующие сигнала d(k), полезным принимаемым сигналом является СМ-сигнал или если известно направление приема полезного сигнала. Тогда это направление может быть использовано в качестве характеристики полезного сигнала путем «введения в алгоритм» линейного ограничения, обеспечивающего необходимый уровень полезного сигнала на выходе ААР.

Для обеспечения цифровой обработки входные сигналы ААР требуются усилить и понизить до нулевой несущей частоты, т.е. до информационной полосы частот. Обработка таких сигналов, в частности, формирование выходного

сигнала ААР (умножение входных сигналов на ВК и сложение результатов умножения), эквивалентна формированию выходного сигнала на несущей частоте путём традиционного аналогового умножения и сложения [4].

Антенная решётка характеризуется диаграммой направленности (ДН), т.е. амплитудно-угловой характеристикой F(), которая, подобно АЧХ обычного фильтра, с помощью ВК может изменять свою форму, обеспечивая требуемые значения усиления в направлениях на источники принимаемых сигналов, например, единичное или равное M усиление в направлении на источник полезного сигнала и нулевое или «очень малое» усиление в направлениях на источники помех. ААР с комплексными ВК характеризуется наличием M степеней свободы, что означает её способность принимать, например, один полезный сигнал и полностью подавлять M - 1 сигналов источников пространственно-разнесённых помех.

На рисунке 27 приведены примеры моделирования подавления помех с помощью восьмиэлементной эквидистантой линейной ААР (N = 8). Направления на источники принимаемых сигналов обозначены вертикальными розовыми стрелками в верхней части рисунка 27а. Источник полезного сигнала располагался в направлении максимума основного лепестка ДН, а источники помех - в симметричных направлениях максимумов двух первых боковых лепестков (см. зелёную кривую). Уровни этих лепестков примерно равны -13 дБ. Поэтому, если любая из помех превышает на 13 дБ уровень полезного сигнала, то её вклад в выходной сигнал ААР будет соизмеримым с полезным сигналом.

Из рисунка 27а следует, что ААР в результате адаптации так меняет свои ВК, что в направлении полезного сигнала сохраняется заданный уровень основного лепестка ДН, равный 0 дБ, а в направлениях на источники помех в ДН образуются глубокие провалы (красная кривая). Это означает, что принимаемые с этих направлений сигналы помех будут значительно ослаблены. В рассматриваемом случае дополнительное ослабление помех за счёт адаптивной фильтрации составляет примерно -13 - (-100) = 87 дБ. При этом изменения ДН во всех других направлениях не имеют принципиального значения, поскольку в процессе приёма источники каких-либо сигналов в этих направлениях отсутствуют.

Рисунок 27. Адаптивная антенная решетка

а) ДН; б) RLS-алгоритм; в) NLMS-алгоритм, ?=0,0008; г) NLMS-алгоритм, ?=0,0004; д) NLMS-алгоритм, ?=0,0002; е) NLMS-алгоритм, ?=0,0001.

На остальных графиках (см. рис. 27) показано, как изменяется ДН в процессе адаптации в направлениях на источники принимаемых сигналов, т.е. эти рисунки представляют собой переходной процесс ААР в терминах значений её ДН. На рисунках 27б - 27ж видно, что заданный уровень ДН (0 дБ) в направлении на источник полезного сигнала выдерживается на всех итерациях алгоритма (прямая синяя линия в верхней части графиков), а длительность переходного процесса (в итерациях алгоритма) и достижимый уровень ДН в установившемся режиме в направлениях на источники помех (тёмно-зелёная и красная кривые) меняется в зависимости от используемого алгоритма и его параметров. При = 0,0001 NLMS-алгоритм в установившемся режиме обеспечивает примерно такие же уровни ДН в направлениях на источники помех, как и RLS-алгоритм, но при этом длительность переходного процесса NLMS-алгоритма примерно в 10 раз превышает длительность переходного процесса RLS-алгоритма. При увеличении параметра длительность переходного процесса в

NLMS-алгоритме уменьшается. Однако также уменьшается и достигаемая глубина провалов ДН в направлениях на источники помех. Данные результаты также свидетельствуют о функциональном превосходстве сложных адаптивных алгоритмов над простыми алгоритмами.

4. Адаптивная шумоочистка

Широко используемым приложением адаптивных фильтров также является шумоочистка. В задаче шумоочистки (см. рис. 28) в качестве сигнала d(k) используется зашумленный полезный сигнал x(k)+ z1(k), а в качестве входного сигнала - сигнал z2(k), коррелированный с сигналом z1(k) и не коррелированный с x(k). Адаптивный фильтр из сигнала z2(k) выделяет z1(k), т.е. y(k) = z1(k), поэтому сигнал ошибки (k) = d(k) - y(k) = x(k).

Рисунок 28. Адаптивная шумоочистка сигналов (идея)

Примером использования фильтра, показанного на рис. 28, является двухмикрофонная система шумоочистки (см. рис. 29) [10], когда микрофон, формирующий сигнал d(k), располагается рядом с говорящим (А), а микрофон, формирующий сигнал z2(k) (D), - рядом с источником шума, который нельзя физически устранить, например, рядом с работающим вентилятором (С) или двигателем автомобиля, самолета или вертолета. В этом случае адаптивный фильтр (Е) моделирует акустическую среду распространения шума z2(k) в направлении к источнику полезного сигнала (см. рис. 30).

Рисунок 30. Адаптивная шумоочистка сигналов: природа сигналов

Результаты моделирования шумоочистки (см. рис. 30) на базе адаптивного фильтра, использующего RLS-алгоритм, при Nh=100 и Nw = 100 приведены на рисунке 31. Рассматривалась очистка сигнала речи (см. рис. 31а), зашумленного шумом двигателя вертолета (см. рис. 31б).

Рисунок 31. Адаптивная шумоочистка, RLS-алгоритм

а) сигнал речи x(k); б) сигнал источника шума z2(k); в) сигнал очищенной речи ?(k); г) сигнал d(k)=x(k)+z1(k); д) сигнал x(k)-?(k); е) рассогласование

В результате шумоочистки, в точке приёма сигнал будет очищенным от шума. Из сравнения рисунков 31а и 31в видно, что результат очистки зашумленной речи (рис. 31г) является достаточно хорошим, о чём свидетельствует также рис. 31д. Этот результат является следствием достаточно хорошей идентификации акустического импульсного отклика, формирующего шум z1(k), что также подтверждается значениями параметра рассогласования (5), представленными на рисунке 31е. В аналогичных условиях NLMS-алгоритм демонстрирует несколько худшие результаты (см. рис. 32).

Рисунок 32. Адаптивная шумоочистка, NLMS-алгоритм (при =0,01)

а) сигнал речи x(k); б) сигнал источника шума z2(k); в) сигнал очищенной речи (k); г) сигнал d(k)=x(k)+z1(k); д) сигнал x(k)-(k); е) рассогласование

Похожие результаты также получаются при небольших изменениях Nh (в пределах ±30 ВК) относительно Nw, что свидетельствует о достаточно высокой эффективности адаптивной шумоочистки.

5. Линейное предсказание

Линейное предсказание наблюдаемых сигналов также является одним из приложений адаптивного фильтра. При линейном предсказании в качестве требуемого сигнала адаптивного фильтра используется наблюдаемый сигнал, а качестве входного сигнала - его задержанная копия. По окончании переходного процесса адаптивный фильтр представляет модель источника сигнала, которая может быть использована для предсказания этого сигнала. Линейное предсказание, в частности, используется при кодировании речи (в вокодерах) [42], при построении быстрых адаптивных фильтров, а также для выделения узкополосных сигналов x(k) (спектральных линий, line enhancement) на фоне широкополосных помех z(k) (см. рис. 33).

Рисунок 33. Адаптивная фильтрация узкополосных сигналов

При разделении узкополосных и широкополосных сигналов величина задержки D в отсчётах обрабатываемых сигналов выбирается такой, что kz< D < kx, где kz - ширина основного лепестка автокорреляционной функции (АКФ) широкополосного сигнала z(k) и kx - ширина основного лепестка АКФ узкополосного сигнала x(k). Будучи задержанным на D отсчётов, сигнал x(k - D) остаётся коррелированным с сигналом x(k), потому в процессе адаптации на выходе адаптивного фильтра формируется сигнал, близкий к узкополосному сигналу x(k), а на выходе сигнала ошибки - сигнал, близкий к широкополосному сигналу z(k). В зависимости от того, какой из обрабатываемых сигналов является «полезным» (узкополосный или широкополосный), в качестве «полезного» выходного сигнала используется соответственно или выходной сигнал адаптивного фильтра, или сигнал ошибки.

6. Антенны с синтезированной апертурой

Синтезирование апертуры за счет движения носителя покажем на примере антенны гидролокатора бокового обзора. На рисунке представлена идея синтеза антенны в гидролокаторе бокового обзора.

Рисунок ** - Геометрия формирования синтезированного ГБО-изображения; б - схема формирования одной строки отсчетов синтезированного изображения многоканальным ГБО, соответствующей одному значению координаты y. Здесь же условно показано полученное реальной апертурой изображение точечного отражателя, которое одновременно является функцией размытия точки

Проблема неоднозначности изображения цели при синтезировании траекторного сигнала ГБО. Слева (а, в) - модельный траекторный сигнал (T = 5 с, л = 0,02 м, R = 100 м, V = 1 м/с, и3дБ = 20°); справа (б, г) - результат синтезирования. Вверху (а, б) - сигнал одного канала, dt = 0,2 с; внизу (в, г) - 8 каналов, что соответствует dt = 0,025 с

Результат использования одного канала при синтезировании апертуры демонстрирует проблему неоднозначности изображения цели при синтезировании траекторного сигнала ГБО. На рисунке справа расположено ЭЛИ сцены, состоящей из точечных отражателей и показанной слева

Литература

1. Сагадеев Г.И., Седельников Ю.Е. Пространственно-частотная фильтрация широкополосных сигналов в системах с фазированными антенными решетками. «Инфокоммуникационные технологии» Том 6, № 1, 2008, с. 99 - 104.

2. Федосов В. П. Пространственно-временная обработка сигналов в исследованиях и разработках кафедры теоретических основ радиотехники ТРТУ

- Таганрог: ТРТИ, 1991. - С. 161 - 162.

3. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы Учебник для вузов. - М. Высшая школа, 1988.

4. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. - М.: Мир, 1988. - 488 с.

5. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1989.

6. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов. - М.: Советское радио, 1979.

7. Купер Дж., Макгиллем А. Вероятностные методы анализа сигналов и систем. - М.: Мир, 1989.

8. Лосев А.К. Линейные радиотехнические цепи: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1971.

9. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов. - М.: Связь, 1979. - 416 с.

10. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. / Учебник для вузов. - СПб.: Питер, 203. - 608 с.

11. Колесник В.Д., Полтырев Г.Ш. Курс теории информации. - М.: Наука, 1982. - 416 с.

12. Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов. - М.: Мир, 1988. - 488 с.

13. Левкович-Маслюк Л, Переберин А. Введение в вейвлет-анализ: Учебный курс. - Москва, ГрафиКон'99, 1999.

14. Алексеев К.А. Очерк "Вокруг CWT". http://support.sibsiu.ru/MATLAB_RU/wavelet/book3/ index.asp.htm.

15. Переберин А.В. О систематизации вейвлет-преобразований. - Вычислительные методы и программирование, 2002, т. 2, с. 15-40.

16. Новиков Л.В. Основы вейвлет-анализа сигналов: Учебное пособие. - СПб, ИАнП РАН, 1999, 152 с.

17. Polikar R. Введение в вейвлет-преобразование. Пер. Грибунина В.Г. - СПб, АВТЭКС. - http://www.autex.spb.ru.

18. prodav.narod.ru - Персональный сайт профессора Давыдова А.В.

Размещено на Allbest.ru