Методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

Методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем

Специальность: 01.04.06. Акустика

Колмогоров В.С.

Владивосток - 2010

Работа выполнена в Тихоокеанском военно-морском институте им. С.О. Макарова

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Долгих В.Н.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Касаткин Б.А.

доктор физико-математических наук,

профессор Короченцев В.И.

доктор технических наук,

доцент Малый В.В.

Ведущая организация: ОАО концерн «Океанприбор»

г. Санкт - Петербург

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Одно из направлений в океанологических исследованиях - создание новых технических средств освоения океана. К таким средствам можно отнести антенны с большими апертурами и многопозиционными антенными устройствами. Увеличение апертуры приемной антенны позволяет увеличить дальность действия и направленность гидроакустического средства, и как следствие улучшить качество исследований. Но при увеличении апертуры приемной антенны увеличивается и её зона Френеля.

Зона Френеля излучающей системы, как показали теоретические и экспериментальные исследования, за счет переотражений излученного сигнала от поверхности моря и дна, а также за счет рефракционных явлений может увеличиться многократно. Даже для точечного источника сигнала, зона Френеля (интерференционная зона) в морском волноводе может составлять десятки и сотни километров. Фронт волны принимаемого сигнала в таких условиях можно считать плоским по апертуре приемной антенны только с определенной степенью условности.

Следует отметить, что шумы дальнего судоходства, биошумы, шумы техногенного происхождения и др. по статистическим характеристикам схожи с источниками полезного сигнала. В этих условиях отличительным признаком между помехой дальнего поля и сигналом может быть кривизна фронта волны, степень кривизны которой определяется размерами зоны Френеля.

Помехи ближнего поля могут также находиться в зоне Френеля акустической приемной антенны. К таким помехам следует отнести виброакустическую и гидродинамическую помеху, которые носят распределенный в пространстве характер и не могут быть подавленны традиционно за счет направленных свойств антенны. Поэтому задачей оптимальной обработки является подавление и компенсация помех, источники которых расположены, в том числе и в зоне Френеля.

Освоение мирового океана, не возможно без создания подводных объектов, в том числе движущихся. Огромный опыт эксплуатации движущихся подводных объектов (ПО) накоплен в военно-морском флоте при плавании подводных лодок (ПЛ). Анализ столкновений ПЛ, находящихся в подводном положении, показал, что при малых расстояниях между ПЛ и морской целью они находятся в зонах Френеля излучающих корпусов кораблей и антенных систем обнаружителей, что приводит к не обнаружению друг друга и как следствие к столкновениям ПЛ с морскими целями. Столкновение английской и французской атомных подводных лодок 4 февраля 2009г. в Атлантическом океане, а также ряд столкновений американских подводных лодок, к примеру с японским учебным судном, которое погибло в результате столкновения при всплытии ПЛ в феврале 2001 году подтверждает, что данная проблема не решена и в иностранных государствах стран НАТО. Эта проблема кроме всего прочего имеет и экологический оттенок, в связи с наличием на борту подводных лодок ядерных реакторов и ядерного вооружения; имеется вероятность столкновений ПО с танкерами и судами, имеющими на борту экологически опасные грузы. Поэтому актуальность работы обусловлена не только обеспечением качества океанологических исследований и безопасности плавания ПО, но и необходимостью обеспечения экологической безопасности морей и океанов.

В связи с этим возникла необходимость разработки методов обработки сигналов и помех, находящихся в зоне Френеля излучающих и приемных систем, поскольку методы обработки сигналов обоснованные применительно к условиям формирования поля сигнала и помех в дальней зоне (Фраунгофера) по апертуре развернутой антенной решетки, как показала практика, зачастую не позволяют решать задачи обнаружения и пеленгования целей в реальных условиях морского волновода.

Цель работы. Обосновать методы обработки гидроакустических сигналов, принимаемых в зоне Френеля приемных и излучающих систем в интересах повышения помехоустойчивости и пространственной разрешающей способности ГАС.

Задачи исследований.

- анализ результатов экспериментальных исследований физических явлений, возникающих при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток;

- разработка физической модели возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом при взаимодействии НЧ и ВЧ сигналов в водной среде;

- обоснование возможности повышения помехоустойчивости ГАС и сужения характеристики направленности (ХН) при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток;

- обоснование метода гетеродинной обработки гидроакустических сигналов;

- обоснование метода освещения надводной обстановки с погруженного ПО при наличии слоя скачка;

- обоснование метода обнаружения морских целей в условиях мелкого моря при развитой структуре интерференционного акустического поля.

- обоснование возможности компенсации и подавления, распределенных в пространстве помех, расположенных в ближней зоне.

- разработка предложений по использованию методов обработки гидроакустических сигналов для обеспечения безопасности плавания ПО.

Методы исследований.

Основными методами для решения поставленных задач явились экспериментальные и теоретические методы с использованием численного и имитационного моделирования. Работа базируется на обширном экспериментальном материале, полученном начиная с 1985г. при проведении натурных морских экспериментальных исследований и морских экспедиций.

Научная новизна.

1. Обоснована физическая модель возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом при взаимодействии ВЧ и НЧ сигналов в водной среде.

2. Разработан метод гетеродинной обработки сигнала в многоэлементной цилиндрической антенне ГАС.

3. Обоснована возможность поиска кривизны фронта волны широкополосного сигнала при пассивном лоцировании акустического поля.

4. Предложен метод освещения надводной обстановки с погруженного ПО в условиях наличия слоя скачка при использовании реверберационной приемной параметрической антенны (РППА).

5. Обоснована возможность повышения помехоустойчивости ГАС при излучении ВЧ сигнала в непосредственной близости от акустической антенны ГАС.

6. Разработан метод освещения обстановки в условиях мелкого моря по регистрации изменения интерференционной картины акустического поля с использованием принципов адаптивной фильтрации.

7. Обоснована возможность адаптивной компенсации виброакустической помехи ГАС, на основе использования амплитудной модуляции при формировании эталона распределенной виброакустической помехи, формируемой в зоне Френеля.

Разработанные в работе методы имеют подтверждения новизны в виде авторских свидетельств на изобретения, патентов на полезные модели и программу для ЭВМ.

Практическая значимость работы

Работа показывает пути модернизации ГАС с целью решения задач обнаружения целей в зоне Френеля. Разработанные предложения целесообразно использовать при обеспечении безопасности плавания ПО в сложных гидроакустических условиях включающих в себя: наличие слоя скачка; повышенной гидродинамической помехи; наличии затененных секторов обзора ГАС; развитой структуры интерференционного акустического поля, характерной для условий мелкого моря и т.п.

Апробация работы. Основные результаты исследований, составившие содержание диссертационной работы, обсуждались на: межведомственном координационном научно-техническом совете по нелинейной акустике (1987г.); межведомственном научно-техническом семинаре в научно-исследовательском институте радиоэлектронного вооружения ВМФ (1989г.); VII Дальневосточной научно-технической конференции по судовой радиоэлектронике (1994 г.); Российской гидроакустической конференции, Владивосток, ТОВВМУ (1996г.); 6-й Всероссийской акустической конференции (с международным участием), Владивосток ДВГТУ (1998); Всесоюзных и Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях ТОВМИ им. С,О. Макарова (1988-2008г.г.); Межвузовской НТК, посвященной 100-летию со дня рождения Тюлина В.Н. (1992г.); сборах руководящего состава РТС ТОФ (1987,1990,2001,2007г.г.), Научно-техническом совете в/ч 90720 (1987,1989,1991-1994,2001г.г.); НТС в ТОИ ДВО РАН (1995,2009 г.г.); 6-й международной НТК Проблемы открытого образования, ДВГТУ (2007г.); 2-й международной НТК Проблемы транспорта Дальнего Востока, ДВМА (1997); 11-й и 19-й сессиях АКИН; НТС в комитете по гидрофизике РАН, НИЦ РЭВ ВМФ, Военно-морской академии (2008г); 3 Всероссийская НТК «Технические проблемы освоения мирового океана» (Институт проблем морских технологий ДВО РАН 2009г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных работ из них по перечню ВАК (июль 2008г.) рекомендованных для докторских диссертаций опубликовано 8 статей; две монографии; два авторских свидетельства на ИЗО; одно авторское свидетельство на полезную модель; два Патента на полезную модель; одно авторское свидетельство на программу для ЭВМ, зарегистрированную в Гос. реестре; одно положительное решение на выдачу Патента РФ; часть материалов диссертации вошли в учебник «Гидроакустические измерения», допущенный в качестве Учебника для военно-морских учебных заведений Главнокомандующим ВМФ РФ.

Материалы диссертации внедрены в 24 НИР, где в 10 НИР автор был научным руководителем.

Личный вклад автора: 77 статей, в том числе статьи, рекомендованные ВАК, а также заявки на изобретения по теме диссертации написаны лично автором, из них 25 статей без соавторов.

В публикациях автору принадлежит постановка задачи, выбор методов анализа и интерпретации экспериментальных результатов, теоретическое обоснование физических моделей возникновения амплитудной модуляции при излучении ВЧ сигнала в водную среду. Автор разрабатывал и принимал участие в изготовлении макетов ГАС, трактов обработки и анализа, им предложены и обоснованы выносимые на защиту технические решения. Автор, будучи руководителем испытательной группы в морских экспедициях, и научным руководителем НИР, разрабатывал методики проведения экспериментальных исследований и принимал в них непосредственное участие. Научные положения, вошедшие в диссертацию, получены лично автором.

Обоснованность и достоверность научных разработок и полученных результатов диссертации подтверждается результатами физического и имитационного моделирования механизмов взаимодействия сигналов хорошо апробированного математического аппарата, техническими решениями, защищенными авторскими свидетельствами и патентами на изобретения, полезные модели и программы на ЭВМ, а также протоколами межведомственных комиссий и межведомственных рабочих групп по результатам натурных морских экспериментов и двух морских экспедиций.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод гетеродинной обработки сигнала в многоэлементной цилиндрической антенне ГАС.

2. Физическая модель возникновения амплитудной модуляции с повышенным индексом модуляции при рассеянии ВЧ сигнала на колеблющейся поверхности, расположенной в зоне Френеля.

3. Метод компенсации виброакустической помехи ГАС, на основе использования амплитудной модуляции при формировании эталона распределенной виброакустической помехи, формируемой в зоне Френеля.

4. Метод освещения надводной и подводной обстановки при использовании приемной антенны реверберационного типа.

5. Метод освещения надводной и подводной обстановки по регистрации изменения интерференционной картины акустического поля.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 149 источников, приложения. Диссертационная работа изложена на 269 страницах, включая 133 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и научная задача работы, отмечена новизна полученных результатов и кратко изложено содержание диссертации. Указаны положения, выносимые на защиту.

Отмечено, что в середине 80-х годов, в ходе проведения экспериментальных исследований, было отмечен ряд эффектов, и в частности, что в случае излучения высокочастотного (ВЧ) сигнала малой интенсивности (20…50 Па) в непосредственной близости от приемной антенны повышается эффективность обнаружения сигнала (сужается характеристика направленности (ХН) гидроакустического средства (ГАС) и повышается его помехоустойчивость. Но объяснений физических явлений, возникающих при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток, предложено не было.

В главе 1. «Проблема обнаружения целей в зоне Френеля» показано, что при сближении с целью в зоне Френеля из-за сложного амплитудно-фазового распределения по апертуре приемной антенны, происходит развал ХН ГАС и как следствие развал отметки от цели на индикаторе ГАС. При многолучевом распространении сигнала от цели зона Френеля многократно увеличивается, что приводит к усложнению пространственно-временного поля от морской цели. Наличие слоя скачка скорости звука в морской среде усложняет освещение надводной обстановки штатными средствами ПО, что может привести к столкновению при всплытии ПО.

В п. 1.1. рассмотрены столкновения подводных лодок с морскими целями. Показано, что столкновения обусловлены в основном из-за не обнаружения морских целей гидроакустическими средствами. В п. 1.2. рассмотрено акустическое поле морского объекта в зоне Френеля. Модель шумоизлучения морского объекта можно представить в виде колебательной системы, состоящей из набора источников возбуждения и колебательных контуров. Акустическое поле шумоизлучения корабля следует рассматривать как суперпозицию акустических полей излучателей простых форм, к которым можно отнести акустические поля прямоугольного, круглого и цилиндрического излучателей. Гидроакустическое поле излучателей простых форм описано интегралом Гюйгенса - Рэлея. Распределение фазовой структуры акустического поля цилиндрического излучателя, моделирующего корпус морской цели, можно рассчитать как:

(1)

Результаты расчетов фазовой структуры акустических полей для цилиндрического излучателя в соответствии с выражениям (1) показаны на рис. 1г.

Рис. 1. Распределение амплитуды звукового давления круглого (а) сектора цилиндрического (б); прямоугольного поршневого излучателя (в) с расстоянием в зоне Френеля г) фазовая структура акустического поля для сектора цилиндрического поршневого излучателя

На рис. 1а, б, в представлены результаты численного моделирования амплитудного распределения звукового давления в ближних зонах гидроакустических излучателей различной формы. Использование специфики акустического поля излучателей различной формы, можно использовать для решения поставленных в работе задач. На рис. 2 показаны расчеты отклика 11-ти элементной эквидистантной антенны в виде ХН в однородной безграничной среде при приближении источника тонального сигнала в виде цилиндрического излучателя, имитирующего морскую цель к многоэлементной антенне.



Рис. 2. Расчет характеристики направленности антенны ГАС на различных расстояниях от поршневого сектора цилиндрического излучателя

Как видно из рис. 2, при сближении с целью происходит развал ХН.

Пространственно-временной сигнал от цели на выходе ГАС можно представить как

(2)

где Н_i() = К_i(r) exp(j_i); К_i(r) - коэффициент передачи канала, определяющий уровень сигнала на данном расстоянии и на данной частоте; _i - задержка сигнала в канале; m_j(t) - коэффициент нелинейных искажений, зависящих от уровня сигнала; N(t)- аддитивная помеха; К(r) - коэффициент, учитывающий уровень взаимодействия различных спектральных составляющих.

Сигнал относится к случайным процессам с быстро измеряющимся в зоне Френеля пространственно-временным спектром. Поэтому необходима разработка новых технических решений, основанных на надежном и быстром принятии решения в условиях сближения с целью в зоне Френеля.

В главе 2 «Помехоустойчивость ГАС и пространственно-временное гидроакустическое поле» рассмотрены пространственно-временные представления гидроакустического поля.

В п. 2.1. показано влияние амплитудно-фазового распределения по апертуре антенны на помехоустойчивость. В п. 2.2. рассмотрена помехоустойчивость ГАС, как представление пространственно-корреляционных связей сигнала и помехи. В п. 2.3. рассмотрены спектральные представления пространственно-временного поля. Приведена схема преобразований Фурье в пространственно-временном и частотном поле пространственно-временного сигнала с использованием пространственно-временных спектров, ядром которых является пространственно-временная корреляционная функция. Показано, что на степень корреляции сигнала и помехи, и как следствие на помехоустойчивость, большое влияние оказывает многолучевость распространения сигналов и помех в морской среде. В п. 2.4. рассмотрены корреляционные свойства помех. Как показал анализ, основной вклад в уровень шумов моря в НЧ диапазоне вносят шумы дальнего судоходства, которые являются коррелированной помехой. Повышение помехоустойчивости в этом случае возможно только за счет согласованного, в пространственно-временном смысле, приема сигнала и разделения сигнала и коррелированной помехи по кривизне фронта волны. В п. 2.5. рассмотрены взаимные корреляционные свойства гидроакустических сигналов.



Рис. 3 Схема расчета коэффициента пространственной корреляции при 3-х лучевом распространении сигнала от шумящей цели на два приемника (время задержки составляли 1-ой -0.5; 2-ой -03; 3-ей - 0; 4-ой - 0 линии задержки)

Показано, что в случае полной компенсации разности времени распространения сигналов по лучам, коэффициент взаимной корреляции имеет максимальные значения. Результаты моделирования при многолучевом распространении шумового сигнала представлены на рис. 3. Результаты моделирования показали, что при наличии задержек между лучами, пространственный коэффициент корреляции падает с единицы (когда все линии задержки равны нулю) до 0,3 (когда линии задержки не равны нулю. френель подводный гидроакустический сигнал

Сделан вывод, что максимизация помехоустойчивости происходит, в случае, когда амплитудные и фазовые пространственно-временные спектры сигнала согласованы с апертурной функцией антенны, что предполагает согласованность фазового фронта волны сигнала с кривизной базы антенны.

В главе 3 «Анализ результатов экспериментальных исследований физических явлений, возникающих при излучении ВЧ сигнала в зоне Френеля пространственно развернутых антенных решеток» Для исследования этих эффектов была изготовлена специальная приставка, в состав которой входил набор полосовых фильтров, амплитудный детектор и балансный смеситель. Возможные механизмы гетеродинирования НЧ сигнала за счет взаимодействия с ВЧ сигналом, при ненаправленном излучении ВЧ сигнала в непосредственной близости от приемной многоэлементной антенны, показаны на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Возможные механизмы гетеродинирования сигнала при ненаправленном излучении высокочастотного сигнала в непосредственной близости от приемной многоэлементной антенны ГАС

Анализ позволил оценить возможность использования этих результатов в целях разработки гетеродинных методов освещения ближней обстановки ПО для обеспечения безопасности плавания ПО от столкновений с морскими целями.

В п. 3.1 раскрыт принцип гетеродинной обработки в многоэлементной цилиндрической антенне заключающийся в преобразовании сигнала в частотной области (его гетеродинировании) в каждом канале; поканальном сдвиге сигнала во временной области за счет подачи его на частотно зависимые линии задержки и суммировании прогетеродинированных и сдвинутых по фазе сигналов. Это позволяет производить изменение амплитуды и фазы на выходе отдельного канала ГАС и в общем случае производить изменение амплитудно-фазового распределения сигнала на входе устройства формирования ХН, что приводит к изменению отклика антенны.

В п. 3.2 произведено численное моделирование отклика многоэлементной цилиндрической антенны. Поскольку за счет гетеродинирования полезного сигнала в ВЧ - область происходит перемножение ВЧ и НЧ сигналов, ХН будет определятся как:

, (3)

где - уровень низкочастотного полезного сигнала; - уровень ВЧ сигнала гетеродина; N - количество приемников в рабочем секторе антенны; ; - времена задержки в водной среде и в линиях задержки соответственно.

Рис. 5. ХН многоэлементной цилиндрической антенны без гетеродинной обработки а) и с гетеродинной обработкой б), в), г).

Расчеты ХН согласно выражения (3), произведенные при численном моделировании антенны диаметром 1,2 м. с рабочим сектором 120⁰ и количеством приемников равном 24, показаны на рис. 5. Численные расчеты, произведенные на ЭВМ, показали, что ХН приемной антенны будут зависеть от фазового распределения на комбинационной частоте на выходе сумматора приемной антенны. Фазовое распределение будет происходить за счет не идентичности задержек сигналов в каждом канале. Как видно из рис. 5, гетеродинирование сигнала на частоту = 30 кГц ведет к уширению ХН приемной антенны, гетеродинирование в область = 15 кГц приводит к такому фазовому распределению, что сужает основной максимум ХН.

В п. 3.3 произведен анализ результатов экспериментальных исследований в морских условиях. В п. 3.3.1.- приведена общая методика экспериментальных исследований. Районы испытаний располагались в основных регионах Тихого океана с различными гидроакустическими характеристиками. Кроме экспериментальных исследований, проведенных в различных районах Японского и Охотского морей и северо-западной части Тихого океана, исследования проводились в мелководных районах с глубинами до 20 м и гидроакустическом бассейне, который представлял из себя обесшумленную емкость глубиной 6 м. Эксперименты проводились как в летнее, так и в зимнее время с различной степенью волнения и различными гидрологическими характеристиками. Натурные эксперименты предварялись исследованиями аппаратуры на нелинейность и проверкой технического состояния аппаратуры; в п. 3.3.2. показана возможность повышения индекса амплитудной модуляции при гетеродинировании сигнала в тракте обработки и в водной среде; в п. 3.3.3. приведены результаты проверки электронной аппаратуры макетов, на которых был произведен ряд экспериментов. В п. 3.3.4 представлены экспериментальные исследования в натурных морских условиях. Экспериментальные исследования проводились как на штатных гидроакустических средствах, так и с помощью специально изготовленных макетов ГАС. На рис. 6 представлена структурная схема макета многоэлементной антенны ГАС, при подаче ВЧ сигнала непосредственно в тракт обработки, где предполагалось его гетеродинирование на специально изготовленных модуляторах.

Рис. 6. Структурная схема макета многоэлементной ГАС при экспериментальном исследовании отклика антенны с подачей ВЧ сигнала в тракт обработки, где

1 - коммутатор выбора каналов; 2 - пятиканальный усилитель; 3 - коммутатор выбора режима; 4 - пятиканальный модулятор; ЛЗ - линия задержи

В п. 3.3.5. представлены экспериментальные исследования, проведенные в морских условиях, которые показали, что излучение ВЧ сигнала в непосредственной близости от приемной антенны дает положительный эффект, который выражается в сужении ХН и в повышении помехоустойчивости, по сравнению со штатным режимом работы ГАС. Так на рис. 8 представлены ХН ГАС по тональному источнику сигнала частотой F = 625 Гц в режиме без гетеродинирования (рис.8а) и с гетеродинированием (рис. 8б, в, г).



Рис. 8. Отклик цилиндрической многоэлементной антенны полученный в морских условиях на различных курсовых углах (ширина главного максимума измерена на уровне -3дБ) а) без гетеродинной обработки;

б); в) г) с гетеродинной обработкой на различных курсовых углах

Как видно из рис. 8, вид ХН различен на различных курсовых углах сигнала, т.е. при различных уровнях прямого ВЧ сигнала (из-за нестационарности накачки по курсовому углу). При наблюдаемом сужении ХН выигрыша в отношении с/п не получено, что свидетельствует о том, что формирование ХН происходило либо за счет амплитудно-фазового распределения, либо за счет перевода сумматора в режим перемножителя.

В п. 3.4 показано, что при проведении отдельных экспериментов в натурных условиях, наблюдалось подавление электрических наводок, как показано на рис. 9б, которые при проведении данных экспериментов имели значительный уровень как показано на рис. 9а.

Рис. 9. Спектры с выхода ГАС в штатном (без подачи ВЧ сигнала) (а) и гетеродинном режиме при компенсации электрической помехи (б);

При этом в схему обработки был включен фазовращатель, который совместно с генератором НЧ сигнала располагался в рубке ГАС. В рубке располагался также трансформатор, который создавал наводку от сети питания 50Гц (см. рис. 9а). В п. 3.5 рассмотрено формирование отклика линейной эквидистантной антенны. При гетеродинной обработке в этом случае будет происходить смещение направления на цель от истинного на величину , что подтвердили численные расчеты. Это позволяет разрешать сигналы с разной частотой, т.е. разрешение сигналов будет происходить не за счет пространственной, а за счет частотной избирательности антенны. В связи с этим приходящие с одного направления, но с разными частотами сигналы будут представлены на индикаторе ГАС как два отдельных отклика на углах и . В.п. 3.6. показано, что при излучении ВЧ сигнала в непосредственной близости от приемной антенны возможно взаимодействие НЧ и ВЧ сигналов и в одноканальной части тракта обработки (сумматор, основной усилитель и т.д.). Такая ситуация означает, что вместо аддитивной обработки происходит переход ГАС в мультипликативный режим.

0 0

Рис. 10. Расчет отклика семиэлементной цилиндрической антенны: при аддитивной (а) и мультипликативной (б) обработке сигнала

Как показали расчеты ХН, представленной на рис. 10, при переводе ГАС из аддитивного (рис. 10а) в мультипликативный (рис. 10б) режим обработки сигнала, происходит сужение ХН.

На рис. 11 представлены измеренные характеристики направленности ГАС в штатном режиме.

Рис. 11. Характеристики направленности ГАС с многоэлементной антенной в штатном (без подачи ВЧ сигнала в тракт обработки) режиме на частоте НЧ сигнала F_с=1,2 кГц

Как показали экспериментальные исследования, сужение ХН, по сравнению со штатным режимом ГАС, может происходить как при подаче ВЧ сигнала определенного уровня в водную среду, так и в тракт обработки. При тщательном подборе угла противофазного напряжения, подаваемого на предварительные усилители, как это производилось в эксперименте, можно добиться формирования обуженного отклика многоэлементной антенны без дополнительных лепестков, как это показано на рис. 12.

Рис. 12. Формирование отклика многоэлементной цилиндрической антенны на частоте F_с=1,2кГц F_н=20 кГц при оптимальном угле подачи противофазного напряжения

В п. 3.7. отмечено, что в случае нелинейной обработки в одноканальной части может произойти увеличение отношения сигнал/помеха за счет отбеливания помехи и согласования ширины спектра полезного сигнала и полосы фильтра нижних частот. В п. 3.8 отмечено, что при проведении экспериментов с подачей ВЧ сигнала в водную среду на приемную антенну поступал как прямой ВЧ сигнал - при распространении из центра антенны, так и рассеянный от неоднородностей водной среды. При рассеянии от неоднородностей водной среды возможно формирование реверберационной параметрической приемной антенны (РППА). В п. 3.8.1. и п. 3.8.2. отмечено, что отличительной особенностью РППА от приемной параметрической антенны (ППА) является формирование базы взаимодействия полезного сигнала и сигнала накачки с использованием реверберационного сигнала накачки при расположении излучателя накачки и приемных преобразователей в непосредственной близости друг от друга. В ряде работ рассмотрены механизмы взаимодействия сигналов при нелинейном рассеянии от колеблющейся поверхности, которые объясняют возникновение угловой модуляции в РППА. Вместе с тем, экспериментальные исследования, проведенные с РППА, показывают наличие на её выходе существенной амплитудной модуляции, индекс которой многократно превышает индекс угловой модуляции. В п. 3.8.3. рассмотрена физическая модель возникновения амплитудной модуляции на выходе РППА, которая основывается на анализе рассеянного на неоднородностях морской среды высокочастотного (ВЧ) сигнала накачки, расположенных в зоне Френеля ВЧ излучателя накачки.

Если в точке с градиентом перепадов давления ВЧ сигнала от излучателя будут существовать рассеивающие слои, обеспечивающие реверберационный сигнал накачки, то будут происходить и изменения амплитуд звукового поля на приемнике. Из рис. 13 видно, что если рассеивающий слой под действием внешнего акустического давления сместится на расстояние r, то пропорционально этому смещению изменится и амплитуда, создаваемого излучателем, в месте расположения приемника, акустического давления р(r). При низкочастотных колебаниях рассеивателей морской среды, вызванных звуковым давлением полезного сигнала, возникает амплитудная модуляция переотраженного от него высокочастотного сигнала. В качестве модулирующей функции будет выступать функция изменения расстояния между рассеивающим слоем, расположенным в зоне Френеля излучателя и приемником.

Рис. 13. К пояснению механизма возникновения амплитудной модуляции при реализации приемной параметрической антенны реверберационного типа

В рассмотренном механизме возникновения амплитудной модуляции, возможно повышение индекса модуляции на выходе приемника за счет снижения уровня несущей при сложении промодулированного и немодулированного ВЧ сигнала в противофазе на приемном элементе. В отличие от частотно и фазомодулированного сигнала эта возможность имеется у амплитудно-модулированного сигнала, что подтвердили модельные эксперименты.

Экспериментальные исследования с макетами ГАС одноканальной (рис. 14а) и многоканальной РППА показали, что при определенных условиях при излучении накачки в водную среду наблюдается аномально высокий индекс амплитудной модуляции. Как видно из рис. 14б уровень модуляции при экспериментах мог составлять порядка 30% - 40%. При подаче накачки в тракт обработки уровень модуляции был меньше и определялся степенью модуляции предварительных усилителей, который не превышал 5%.



Рис.14. Макет опускаемой приемной параметрической антенны реверберационного типа (а) и экспериментально полученный спектр шумового сигнала морского судна при излучении ВЧ сигнала в водную среду (б)

Подавление несущей может происходить и при суммировании промодулированного сигнала на приемном преобразователе и за счет проникновения сигнала накачки на приемный элемент по конструкциям корпуса РППА.

На рис.15 представлены уровни принимаемого НЧ сигнала на частоте 1020 Гц при проведении испытаний в одном из районов Тихого океана. Помеха на самописец уровня выводилась аналогично сигналу через спектроанализатор, работающий в режиме «гистограммы», на частоте, отстоящей от частоты полезного сигнала на несколько Герц.

Рис. 15. Регистрация НЧ сигнала частотой 1020 Гц и помехи во времени с приемных преобразователей в одном из районов Тихого океана:

1 - уровень НЧ сигнала после амплитудного детектирования ВЧ сигнала накачки (режим РППА); 2 - уровень НЧ сигнала в штатном режиме; 3 - уровень помехи.

Как видно на рис. 15, выигрыш в соотношении сигнал/помеха в режиме РППА по сравнению со штатным режимом мог достигать 10 дБ. При проведении экспериментов отмечено, что положительный эффект возникал в районах с повышенным уровнем реверберации.

Экспериментальные исследования также показали, что помехоустойчивость РППА зависит от частоты накачки, что подтверждает сделанные предположения о

влиянии рассеивающих свойств водной среды на эффективность РППА.

На рис. 16 представлена зависимость отношения сигнал/помеха, полученная экспериментально с использованием макета показанного на рис. 14а в одном из районов Японского моря.

Рис. 16. Соотношение сигнал /помеха на выходе одноканальной РППА в зависимости от частоты накачки

Как видно на рис.16 максимальное отношение сигнал/помеха для данного района находилось в районе 70 кГц. Для других районов оптимальная частота, при которой наблюдался эффект повышения помехоустойчивости, могла составлять 24 кГц, 124 кГц и т.д.

Для объяснения возможности повышения помехоустойчивости РППА по сравнению со штатным режимом в условиях воздействия помех (гидродинамической и электрической) были произведены численные расчеты отклика многоэлементной антенны, показанные на рис. 17.

Рис. 17. Расчет отклика многоэлементной антенны - без гетеродинирования и без воздействия помех (а);

- без гетеродинирования, при аддитивном воздействии гидродинамической и электрической помех (б);

- с гетеродинированием, при воздействии только гидродинамической помехи (в);

- с гетеродинированием, при воздействии гидродинамической и электрической помехи

после процесса гетеродинирования полезного сигнала в водной среде (г).

Расчет отклика антенны представленный на рис. 17б был произведен с использованием выражения (4), т.е. с учетом аддитивного воздействия помех как электрической, так и гидродинамической.

, (4)

где А₃ - амплитуда случайной гидродинамической помехи; А₄ - амплитуда случайной электрической помехи;-фаза случайной гидродинамической помехи; -фаза случайной электрической помехи; rnd - оператор случайной величины, распределенной по равномерному закону.

Расчет отклика антенны при гетеродинировании НЧ сигнала в ВЧ область без воздействия помех производился с использованием выражения (5)

, (5)

где - амплитуда ВЧ сигнала гетеродина; - круговая частота ВЧ сигнала гетеродина; - время, на которое рассчитана линия задержки.

Расчет отклика антенны представленный на рис. 17в был произведен с использованием выражения (6)

(6)

Расчет отклика антенны представленный на рис. 20г был произведен с использованием выражения (7),

(7)

Как видно из выражения (7) воздействие помех происходит после перемножения НЧ и ВЧ сигналов, т.е. после гетеродинирования .

Расчеты показали, что гетеродиннирование сигнала в условиях воздействия помех позволяет повысить помехоустойчивость ГАС и за счет этого сформировать характеристику направленности. Этот эффект происходит за счет усиления НЧ сигнала при перемножении его с ВЧ сигналом в процессе модуляции в водной среде.

Рассмотренная модель возникновения амплитудной модуляции в РППА с повышенным индексом модуляции позволяет объяснить ряд эффектов, полученных экспериментально. Эти эффекты можно объяснить за счет только гетеродинирования сигнала, не подвергая ревизии классической теории взаимодействия сигналов в водной среде, основанной на принципах нелинейной гидроакустики.

В п. 3.9 показано, что при приеме прогетеродинированного в водной среде полезного сигнала на многоэлементную антенну будет изменяться не только размер зоны Френеля, но и форма отклика антенны. После прохождения расстояния до каждого приемного элемента сигнал комбинационной частоты приобретает определенный фазовый сдвиг и после прохождения линий задержек отклик антенны приобретает вид:

, (8)

где - частоты гетеродина и НЧ сигнала соответственно; - фазовый сдвиг, полученный сигналом комбинационной частоты при прохождении расстояния от зоны взаимодействия до приемной антенны; - фазовый сдвиг сигнала, полученный при прохождении линии задержки.

Для оценки ближнего поля при взаимодействии НЧ и ВЧ сигналов в тракте обработки в многоканальной ее части были произведены численные расчеты на ЭВМ в соответствии с выражением (8). Расчеты производились для каждой точки графика c шагом . При этом учитывалось, что НЧ сигнал будет проходить расстояние (рис. 18), где ; , тогда .

Рис. 18. Геометрические соотношения при расчете ближнего поля многоэлементной цилиндрической антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следовательно, отклик антенны следует искать как

Как видно из выражения (9), форма ближнего поля будет зависеть от и . Численные расчеты подтвердили это. На рис. 19 представлены расчеты ближнего поля для антенны с радиусом R = 0,8 м, количество приемников для частоты сигнала = 500 Гц.



Рис. 19. Результаты расчета ближнего поля цилиндрической многоэлементной антенны при гетеродинировании НЧ сигнала в ВЧ область

Таким образом, при взаимодействии в тракте обработки возможно взаимодействие как в многоканальной так и в одноканальной части. Эффекты, возникающие при этом, показаны на рис.20.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 20. Возможные эффекты при гетеродинировании НЧ сигнала тракте обработки ГАС

В 4-й главе «Повышение эффективности методов освещения обстановки на основе использования принципов адаптивной фильтрации сигнала»

В п. 4.1 рассмотрена возможность адаптивной компенсации виброакустической помехи. В п. 4.1.1 рассмотрены принципы адаптивной компенсации помех. В п. 4.1.2 и п. 4.1.3 рассмотрена классификация помех и приведены спектры, полученные в морских условиях в штатном и гетеродинном режиме, которые свидетельствуют о модуляции дополнительно излученного ВЧ сигнала на вибрирующем обтекателе ГАС. В п. 4.4 Рассмотрена модель формирования эталона виброакустической помехи при отражении ВЧ сигнала от колеблющейся поверхности обтекателя ГАС, которая основывается на модуляции ВЧ сигнала колебаниями вибрирующей оболочки. Данная модель позволяет сформировать эталонное значение помехи с целью адаптивного её подавления.

При выборе рабочей точки размещения приемника и излучателя в ближней зоне Френеля необходимо соблюдать следующие условия:

- во-первых, к уровню амплитудной модуляции принимаемого сигнала;

- во-вторых, к степени линейности склона амплитудного распределения звукового давления, создаваемого ВЧ излучателем.

Эти требования, могут быть выполнены путем расчета первой и второй производной функции амплитуды звукового давления по дистанции r.

Алгоритм выбора места расположения гидроакустического приемника в зоне Френеля излучателя по расчетам первой и второй производных распределения звукового давления создаваемого ВЧ излучателем показана на рис. 21.



Рис. 21. Алгоритм выбора места расположения гидроакустического приемника в зоне Френеля излучателя

Индекс модуляции зависит от крутизны склона амплитудного распределения акустического поля излучателя ВЧ сигнала и может быть вычислен как

, (10)

где - крутизна выбранного склона амплитудного распределения акустического поля излучателя ВЧ сигнала.

Из выражения (10) видно, что коэффициент модуляции критичен к выбранному расстоянию приемника от отражающей вибрирующей поверхности.



Рис. 22. Структурная схема экспериментальной установки по формированию эталонного значения помехи с вибрирующей поверхностью в виде плоской пластины

Исследования, проведенные в соответствии со схемой показанной на рис. 22, показали возможность использования принципов адаптивной фильтрации. Наиболее эффективным показал себя нерекурсивный фильтр типа LMS (Least Mean Square), имеющейся в банке данных виртуальных приборов системы Simulink. Этот фильтр основан на минимизации градиента мгновенного значения ошибки между образцовым (эталон помехи) и смеси сигнал + виброакустическая помеха, при использовании метода наименьших квадратов. На рис. 23 представлены результаты эксперимента по компенсации виброакустической стационарной гауссовой помехи с использованием вычитающего устройства и адаптивного фильтра типа LMS при формировании эталонного значения помехи с использованием амплитудной модуляции.

Рис. 23. Результаты измерения коэффициента корреляции между выходами основного и эталонного каналов (а) и спектрального анализа сигнала частотой 380Гц на фоне виброакустической помехи:

б) - без обработки, на выходе основного канала;

в) - при энергетическом вычитании;

г) - при использовании адаптивной фильтрации.

Экспериментальные исследования по компенсации виброакустической помехи показали, что при коэффициенте корреляции между основным и компенсационным каналами 0.44 - 0.49, выигрыш в соотношении сигнал /помеха при использовании адаптивного фильтра типа LMS может составлять 8-10 дБ по сравнению со штатным режимом. При этом использование адаптивного фильтра приводит к увеличению соотношения сигнал/помеха на 4-5дБ по сравнению с вычитающим устройством.

При выборе формы ВЧ излучателя следует руководствоваться принципом соответствия акустического поля, создаваемого излучателем, и формой вибрирующей оболочки. Так, на рис. 24.а показан расчет акустического поля круглого акустического излучателя с радиусом R.



Рис. 24. Расчет распределения звукового давления в топографическом представлении, создаваемых круглым (а) и прямоугольным (б) поршневым плоским излучателем в их ближней зоне

На рис. 24б показан расчет акустического поля прямоугольного излучателя поршневого типа со стороной размером 2а. На рис. 24 видно, что если вибрирующая поверхность плоская, то целесообразно использовать прямоугольный излучатель, поскольку фронт волны, создаваемый им в ближней зоне тоже плоский.

В п. 4.2 рассмотрен метод освещения ближней обстановки интерференционным обнаружителем с использованием адаптивного фильтра. В случае если в сложившуюся в морском волноводе интерференционную структуру поместить движущийся объект, на выходе приёмника будут наблюдаться амплитудно-фазовые флюктуации сигнала за счет изменения сложившийся интерференционной картины.

На рис. 25 показан сравнительный анализ результатов экспериментальных исследований с движущейся моделью при наличии взволнованной водной поверхности гидроакустического бассейна без использования адаптивного фильтра (рис. 25б) и с использованием адаптивного фильтра (рис. 25в) типа LMS из блока DSP пакета расширения Simulink системы MATLAB. На рис. 25а приведена временная диаграмма при взволнованной поверхности воды бассейна, но без прохода модели вдоль бассейна. Как видно из рис. 25, использование адаптивной фильтрации позволяет выделить полезный сигнал в виде изменчивости интерференционной структуры акустического поля.

Рис. 25. Результаты экспериментальных исследований при протяжке модели движущегося тела в условиях взволнованной поверхности:

а) фоновая запись при взволнованной поверхности без протяжки модели;

б) сигнал с выхода амплитудного детектора при протяжке модели на фоне

взволнованной поверхности бассейна;

в) сигнал с выхода амплитудного детектора при протяжке модели на фоне взволнованной водной поверхности бассейна при использовании адаптивного фильтра.

Натурные испытания по реальным морским целям, результаты которых показаны на рис.26, подтвердили полученные в гидроакустическом бассейне результаты, и показали зависимость осуществления данного метода (формирования интерференционного поля) от параметра Релея (наличие когерентной составляющей в индикатрисе рассеяния). Звуковое давление р в каждой точке акустического поля морской среды можно рассматривать как суперпозицию прямого и отраженных от границ акустических волн и рассчитать с использованием мнимых источников, образованных за счет отражения от границ морской среды (поверхность и дно моря). При этом когерентное звуковое поле в морской среде будет определяться выражением

, (11)

где - звуковое давление, создаваемое источником звука на единичном расстоянии; - коэффициент отражения от границ морской среды для i-го мнимого источника, определяемый выражением параметр Релея. - угол скольжения падающей волны; k - волновое число излученного сигнала; - расстояние от источника звука до точки поля для i- го мнимого источника.

Рис. 26. Результаты морских натурных экспериментальных исследований с использованием двух приемных преобразователей:

в), г) - запись сигнала с выхода амплитудного детектора при проходе корабля в озвученной области моря на фоне взволнованной поверхности;

д), е) - запись сигнала с выхода схемы обработки с использованием адаптивного фильтра при проходе корабля в озвученной области моря;

ж) - нормированная взаимокорреляционная функция между приемными преобразователями, разнесенными в пространстве

При проведении натурных экспериментальных исследований по реальным морским целям использовались два приемных гидрофона. Корреляционная обработка с их выходов показала возможность пеленгования морских объектов, поскольку при разнесении гидрофонов на расстояние до 30м коэффициент взаимно-корреляционной функции составлял около единицы.

В главе 5 «Предложения по освещению обстановки в зоне Френеля»

В п. 5.1 рассмотрен метод гетеродинного сканирования акустического поля в пассивном режиме. Предлагаемый метод сканирования можно отнести к методу слепого поиска, т.е. методу перебора всех возможных вариантов подстройки под кривизну фронта волны базы антенны. При этом за счет широкополосности сигнала этот метод при её высокой надежности имеет минимум временных затрат на поиск. Эти затраты будут зависеть от способа сканирования, которые можно подразделить на последовательный метод сканирования и параллельный метод одновременного широкополосного сканирования. Принцип способа сканирования можно проиллюстрировать с помощью структурной схемы показанной на рис. 27.

Рис. 27. Структурная схема устройства фокусировки гидроакустической системы на неплоский фронт волны ( F_г - частота гетеродина)

Принцип работы ГАС в гетеродинном режиме по обнаружению цели в зоне Френеля, предполагает использование генератора ВЧ сигнала либо в режиме ступенчато изменяющегося ВЧ сигнала (рис. 28а), либо использование многочастотного ВЧ сигнала с целью транспонирования широкополосного НЧ сигнала от цели в ВЧ область, как это показано на рис. 28б.

Рис. 28. Спектры прогетеродинированного сигнала при генерировании:

а) ступенчатого ВЧ сигнала гетеродина;

б) многочастотного ВЧ сигнала гетеродина.

Гетеродинирование НЧ сигнала в ВЧ область производится с целью подачи на частотно зависимые линии задержки (ЛЗ) одного и того же НЧ сигнала прогетеродинированного в ВЧ область. Это позволяет одновременно формировать баз антенны при одночастотном ВЧ сигнале и при N частотном ВЧ сигнале (здесь - разрешающая способность спектроанализатора; N = 1, 2, 3, 4…), что позволяет одновременно оценивать кривизну фронта волны с 10³-10⁶ и более вариантами, тем самым многократно повышая производительность поиска, но при этом, производя самый надежный по определению слепой поиск путем перебора всех возможных вариантов. Полоса анализируемого сигнала зависит от её информативности, что в свою очередь предполагает когерентность спектральных составляющих. Поэтому одной из предшествующих процедур следует считать процедуру выявления когерентности сигнала, включая кепстральный анализ сигнала.

С целью проверки возможности формирования ХН в зоне Френеля было произведено имитационное моделирования с использованием программной среды С++. На рис. 29 показаны результаты имитационного моделирования многоэлементной цилиндрической антенны (сектор антенны показан на рисунках в виде дуги).

Рис. 29. Характеристика направленности многоэлементной цилиндрической антенны при:

а) расположении источника звука в дальней зоне без гетеродинирования сигнала

б) расположении источника звука в зоне Френеля без гетеродинирования сигнала

в) расположении источника звука в зоне Френеля с гетеродинированием сигнала

На рис. 29а представлен расчет ХН (в декартовой и в полярной системе координат) и базы антенны при расположении источника звука в зоне Фраунгофера. Поскольку фронт волны плоский и база антенны тоже плоская, то ХН формируется. При помещении источника звука в зону Френеля происходит развал ХН (рис. 29б). Как видно на рис. 29в, использование гетеродинирования позволяет сфокусировать базу антенны на источник сигнала и сформировать ХН, при нахождении источника звука в зоне Френеля.

В п. 5.2 разработан алгоритм принятия решения о наличии цели в зоне Френеля. Для описания пространственно-временного акустического поля можно использовать пространственно-временную функцию когерентности и кепстральную обработку. В п. 5.3 даны предложения по формированию многоэлементной реверберационной приемной параметрической антенны при лоцировании поверхности моря. В 5.3.1 рассмотрена возможность лоцирования поверхности моря. Этот метод позволяет при наличии слоя скачка производить освещение надводной обстановки, как показано на рис. 30. Экспериментальные исследования, приведенные в гл. 4 с РППА при лоцировании поверхности моря свидетельствуют о возможности использования этого явления для освещения надводной обстановки.

Рис. 30. Использование РППА для освещения надводной обстановки при наличии слоя скачка

Для реализации данного метода предложена схема, представленная на рис. 31.

Рис. 31. Схема использования РППА для лоцировании поверхности моря

Кроме нелинейного взаимодействия в водной среде, возможно возникновение амплитудной модуляции в соответствии с физической моделью рассмотренной в данной работе, а также модуляции на основе дифракции Рима-Ната на акустической решетке образованной при распространении НЧ сигнала большой интенсивности в морской приповерхностной среде. Поэтому в схеме РППА, кроме фазового детектора, предусмотрен амплитудный детектор. В п. 5.3.2 рассмотрено использование корреляционной обработки для пеленгования целей в зоне Френеля. Для оценки возможности пеленгования целей в условиях их обнаружения в ближней зоне (зоне Френеля), были произведены расчеты с использованием корреляционной обработки сигналов, которые показали, что корреляционная ГАС позволяет осуществлять эффективное подавление слабых мешающих сигналов при наличии сильношумящей близкорасположенной цели. Кроме этого, корреляционная обработка при обнаружении в зоне Френеля позволит оценить координаты цели в пассивном режиме за счет возможности оценки кривизны фронта волны путем измерения времен задержек на различных преобразователях антенны. В п. 5.3.3 предложено использование многоэлементной цилиндрической РППА для борьбы с гидродинамической и электрической помехой. В этом случае часть преобразователей должны работать в режиме излучения, а часть в режиме приема. Если использовать двухчастотное дополнительное ВЧ излучение, то возможно, дополнительно к формированию РППА, производить компенсацию виброакустической помехи работе ГАС на повышенных скоростях ПО. В п. 5.3.4. рассмотрено использование параметрических антенн в целях противодействия диверсионным силам и средствам в целях охраны подводных объектов. К таким объектам можно отнести объекты нефтедобычи, объекты гидронавтики, объекты по выращиванию аквакультур и т.д.