Підвищення завадозахищеності систем дистанційного зондування атмосфери при використанні авторегресійних фільтрів подавлення акустичних завад

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЗАВАДОЗАХИЩЕНОСТІ СИСТЕМ ДИСТАНЦІЙНОГО ЗОНДУВАННЯ АТМОСФЕРИ ПРИ ВИКОРИСТАННІ АВТОРЕГРЕСІЙНИХ ФІЛЬТРІВ ПОДАВЛЕННЯ АКУСТИЧНИХ ЗАВАД

Корецький Едуард Анатолійович

Харків - 1999

Анотація

Корецький Е.А. Підвищення завадозахищенності систем дистанційного зондування атмосфери при використанні авторегресійних фільтрів подавлення акустичних завад. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12. 21 - радіотехнічні системи спеціального призначення. - Харківський державний технічний університет радіоелектроніки. - Харків, 1999.

Розроблені статистичні моделі розсіяних акустичних сигналів і завад. Обгрунтована доцільність застосування адаптивних решітчатих фільтрів для подавлення активних завад в системах радіоакустичного і акустичного зондування. Вперше запропоновано використати для подавлення інтенсивних акустичних завад в системах дистанційного зондування опорний канал. Розроблено алгоритм обробки сигналів, який дозволить ефективно боротися з пасивними акустичними завадами і враховує відмінні особливості поведінки даного типу завад від аналогічних в радіолокації. Отримані експериментальні результати з подавлення реальних активних і пасивних акустичних завад за допомогою запропонованих алгоритмів обробки сигналів в умовах сучасного аеропорту.

Ключові слова: радіоакустичне і акустичне зондування атмосфери, розсіяний сигнал, активна і пасивна завада, модель авторегресії, адаптивні решітчаті фільтри, відбілюючі фільтри, опорний канал, швидкість збіжності алгоритму.

алгоритм сигнал акустичний аеропорт

Аннотация

Корецкий Э.А. Повышение помехозащищенности систем дистанционного зондирования атмосферы при использовании авторегресионных фильтров подавления акустических помех. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.21 - радиотехнические системы специального назначения. - Харьковский государственный технический университет радиоэлектроники. - Харьков, 1999.

Разработаны статистические модели рассеянных акустических сигналов и помех на базе модели авторегрессии. Получены аналитические соотношения, связывающие параметры модели авторегрессии с параметрами спектральной плотности мощности скалярных и комплексных случайных процессов. Разработаны методы формирования многомодовых случайных процессов, позволяющие адекватно представлять реальные помеховые сигналы, имеющие несколько спектральных пиков. Разработаны методы формирования случайных процессов с заданными спектральными и корреляционными свойствами. Построена модель авторегрессии реальных рассеянных акустических сигналов. Определены оптимальные порядки модели по критерию Бартлетта и минимума ошибки предсказания.

Обоснована эффективность применения адаптивных решетчатых фильтров для подавления активных помех в системах радиоакустического и акустического зондирования атмосферы. Впервые предложено использовать для подавления интенсивных акустических помех в системах акустического зондирования атмосферы опорный канал. Разработан алгоритм обработки сигналов, позволяющий эффективно бороться с пассивными акустическими помехами и учитывающий отличительные особенности поведения данного типа помех от аналогичных в радиолокации. Приведены количественные соотношения, позволяющие оценить преимущества предложенного алгоритма обработки по сравнению с известными из теории радиолокации.

С помощью модели авторегрессии-скользящего среднего исследованы механизмы частотных искажений полезных сигнала при обелении помехи в присутствии сигнала. Разработаны алгоритмы обработки сигналов, позволяющие существенно снизить влияние обеляющего фильтра на частотную структуру сигнала и вследствие этого уменьшить погрешность оценки центральной частоты полезного сигнала.

Исследованы динамические спектрально-кореляционные свойства реальных помеховых сигналов, создаваемых двигателями реактивных и винтовых самолетов в условиях современного аэропорта, а также спектральные-корреляционные свойства акустических помех, имеющих место вблизи автомагистралей. Определены интервалы стационарности исследуемых помеховых сигналов. Получены экспериментальные данные по подавлению реальных активных и пассивных акустических помех при помощи предложенных алгоритмов обработки сигналов в условиях аэропорта и вблизи крупных автомагистралей. Определены оптимальные порядки неадаптивных и адаптивных решетчатых фильтров, при которых обеспечивается максимальное подавление помех, наилучшее качество обеления по заданному уровню боковых лепестков автокорреляционной функции обеленной помехи, а также минимальные среднеквадратичные ошибки оценки центральной доплеровской частоты сигналов.

Приведен типовой расчет энергетических параметров акустического локатора в условиях воздействия интенсивных акустических помех, создаваемых реактивными самолетами в момент взлета, и показано, что предложенные алгоритмы обработки сигналов позволяют обеспечить непрерывность процесса измерений метеопараметров даже в этих условиях.

Представлена схема наиболее оптимального расположения антенной акустической системы при реализации помехового канала, а также рассмотрены основные варианты расположения антенн, учитывающие зависимость спектрально-корреляционных свойств самолетных акустических помех от ракурса.

Представлены результаты исследований по определению скорости сходимости решетчатого рекурсивного наименьших квадратов алгоритма при подавлении реальных активных помех. Приведены результаты расчетов, доказывающие реальные возможности применения предложенных алгоритмов для обработки сигналов в реальном масштабе времени на существующей микропроцессорной элементной базе.

Ключевые слова: радиоакустическое и акустическое зондирование, рассеянный сигнал, активная и пассивная помеха, модель авторегрессии, адаптивные решетчатые фильтры, обеляющие фильтры, опорный канал, скорость сходимости алгоритма.

Annotation

Koretsky E.A. Increasing of interference protection of atmospheric probing system with using of acoustic interference suppression autoregressiv filters. - Manuscript.

Thesis for the degree of candidate of technical sciences on the speciality 05.12.21 - special purpose radiotechnical systems. - Kharkov State Technical University of Radioelectronics. - Kharkov, 1999.

Statistical models of scattered acoustic signals and interference are developed. Expediency of using adaptiv lattice filters to suppress activ interference in acoustic probing systems is substantiated. For the first time interference channal has been proposed to be used to suppress intensiv acoustic interference in probing system. A signal processing algorithm permitting to effectively suppress passiv acoustic interference and taking into acount distinctiv characteristic properties of the given type of interference from analogous one in radiolocation has been developed. Experimental data on the suppression of real active and passiv acoustic interference with the help of the signal processing algorithms proposed under the condition of a modern airport have been obtained.

Key words: radioacoustic and acoustic probing, scattered signals, active and passiv interference, model autoregression, adaptiv lattice filter, whitening filter, reference channal, velosity of algorithm convergence.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Однією з останніх тенденцій розвитку і вдосконалення технічних служб сучасних аеропортів є використання систем радіоакустичного та акустичного зондування атмосфери. На даний момент інтенсивні роботи в цьому плані проводяться в багатьох провідних країнах світу. Акустичний локатор (АЛ) або содар дозволяє вимірювати вертикальний розподіл швидкості і напрямку вітру, шарів різкої зміни температури.

Дистанційне зондування нижніх шарів атмосфери засноване на ефектах взаємодії електромагнітних та звукових хвиль з повітрям. Доведено, що перетин розсіювання для звукових хвиль приблизно в мільйон разів більше, ніж для електромагнітних, тому для проведення зондування може застосовуватися порівняно проста технічна база. У порівнянні з акустичними при використанні радіолокаційних засобів потрібні більші енергетичні витрати.

Все зростаючий інтерес авіації до даних систем пояснюється бажанням різко підвищити безпеку операцій зльоту та посадки сучасних літаків. При проведенні цих операцій, коли літак рухається на малих швидкостях, пілоту необхідна оперативна інформація про стан вітрового розподілу поблизу злітно-посадочної смуги (ЗПС). Відомо багато трагічних випадків, коли сучасні літаки зазнавали аварії при зльоті або посадці із-за того, що вони влучали в сильні вертикальні вітрові потоки.

Оптимальні робочі частоти зондування сучасних содарів, що забезпечують мінімальне затухання акустичних сигналів при їх поширенні, знаходяться у такому діапазоні, який підвладний впливу сильних звукових завад, створюваних працюючими двигунами літаків. Рівні інтенсивності таких завад настільки великі, що при деяких режимах роботи двигунів (руління, зльот) проводити процес зондування принципово неможливо. Найбільш небезпечним явищем для зльоту та посадки літаків є спутний слід - потужний турбулентний повітряний потік, що інколи утворюється при стартах реактивних лайнерів внаслідок роботи їхніх двигунів. Визначити наявність цих вихорів можна за допомогою содара по структурі прийнятого сигналу. Проблема по вчасному виявленню потужних зсувів вітру і спутних слідів в повній мірі ще не вирішена. Одна з головних причин цього полягає в тому, що ефективність існуючих засобів захисту від активних акустичних завад, створюваних двигунами літаків і пасивних завад від місцевих об'єктів явно недостатня для рішення практичних задач по забезпеченню безперервності вимірів метеопараметрів поблизу ЗПС.

В зв'язку з цим є актуальною розробка більш ефективних заходів по захисту від активних та пасивних акустичних завад.

Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертаційні дослідження пов'язані з виконуваними на кафедрі радіотехнічних систем ХТУРЕ держбюджетній НДР № 102(473-1) “Розпізнавання випадкових процесів та сигналів методами параметричного моделювання”, держбюджетній НДР № 100 (472-1) “Розробка радіоелектронних методів та систем дистанційного зондування Землі та прилягаючого до неї середовища для вирішення актуальних задач народного господарства та прогнозування і контролю надзвичайних ситуацій”.

Мета та задачі дисертаційної роботи.

Метою роботи є розробка ефективних алгоритмів обробки сигналів в системах радіоакустичного і акустичного зондування для подавлення активних та пасивних акустичних завад, які мають місце в реальних умовах сучасних аеропортів, а також поблизу великих промислових об'єктів і автомагістралей.

У відповідності з цим основними задачами дисертаційної роботи є:

створення нових конструктивних алгоритмів формування сигналів, імітуючих корисний відбитий акустичний сигнал та зовнішню заваду на вході приймача на базі авторегресійної моделі;

синтез відбілюючих неадаптивних і адаптивних авторегресійних фільтрів, у тому числі з застосуванням завадового каналу для подавлення активних акустичних завад в системах дистанційного зондування;

розробка нових алгоритмів обробки сигналів для ефективного подавлення пасивних акустичних завад на базі авторегресійних фільтрів, що враховують відмінні особливості їх поведінки в системах акустичного зондування;

дослідження потенційних можливостей запропонованих алгоритмів;

перевірка ефективності запропонованих алгоритмів на реальних завадових сигналах, що мають місце поблизу аеропортів та автомагістралей;

розробка рекомендацій по застосуванню запропонованих алгоритмів подавлення активних та пасивних акустичних завад, а також схем найбільш оптимального просторового розташування антенної акустичної системи;

розрахунок швидкодії запропонованих алгоритмів обробки сигналів для перевірки можливостей їх застосування в реальному масштабі часу на існуючій мікропроцесорній базі.

Методи досліджень базувались на кореляційній теорії, теорії імовірностей, оптимального оцінювання, теорії перевірки статистичних гіпотез. Теоретичною основою досліджень є статистичне моделювання, кореляційний і спектральний аналіз випадкових процесів. Експериментальна частина дисертації проводилась з використанням реальних завадових сигналів, створюваних двигунами літаків, а також автомобільними двигунами. Запропоновані алгоритми обробки сигналів реалізувались програмно на ПЕОМ.

Наукова новизна роботи :

запропоновані нові конструктивні алгоритми формування випадкових процесів, що імітують корисний сигнал та заваду в системах акустичного зондування на базі моделі авторегресії;

вперше запропоновано використовувати для подавлення нестаціонарних активних акустичних завад в системах радіоакустичного і акустичного зондування атмосфери адаптивні авторегресійні фільтри;

доказана ефективність використання завадового каналу на базі адаптивного решітчатого фільтру для подавлення активних акустичних завад в системах акустичного зондування;

розроблені нові алгоритми обробки сигналів на базі авторегресійних фільтрів, які дозволяють ефективно боротися з нестаціонарними акустичними пасивними завадами в системах дистанційного зондування атмосфери.

Практичне значення роботи:

розроблені алгоритми обробки сигналів, застосування яких дозволить знизити вартість існуючих систем акустичного зондування за рахунок спрощення антенної системи, зменшення захисних звукопоглинаючих покрить і забезпечить ефективну їх роботу в умовах впливу сильних активних і пасивних акустичних завад;

запропоновані і застосовані ефективні алгоритми цифрової обробки сигналів для подавлення активних та пасивних завад, які можуть бути використані в реальних акустичних, радіоакустичних та радіолокаційних системах і дозволяють в повній мірі реалізувати потенційні можливості найсучасних сигнальних процесорів;

розроблені рекомендації по практичному впровадженню запропонованих алгоритмів обробки сигналів в системи дистанційного зондування атмосфери;

в цілому результати досліджень дисертаційної роботи дають можливість вирішити всі практичні задачі вимірів метеопараметрів поблизу і над ЗПС.

Реалізація і впровадження результатів. Алгоритми обробки сигналів, що розроблені в дисертаційній роботі, використовувались під час виконання НДР “Земля-1” та “Хвиля”, які проводилися ІРЕ НАН України (м. Харків). Алгоритми формування випадкових процесів, що були розроблені в дисертації, використовувались в учбовому процесі під час створення лабораторних практикумів по курсах “Основи теорії передачі інформації” та “Основи радіозв'язку” для моделювання різних типів корельованих завад в радіоканалах передачі інформації, а також при виконанні дипломних робіт при розробці та моделюванні систем шумоподавлення в системах літакового радіозв'язку.

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Із робіт, які опубліковані в співавторстві, використовувалися лише ті результати, що отримані здобувачем особисто.

Апробація результатів роботи: Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Засоби представлення та обробки випадкових сигналів та полів” (Туапсе, 1993 р.), на 1-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації” (Туапсе, 1995 р.), на 2-й Міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації” (Харків-Туапсе, 1996 р.), на 1-й Українській науково-технічній конференції “Метрологічне забезпечення в області електричних, магнітних та радіотехнічних вимірів” (Харків, 1994 р.), на Науково-методичній конференції “Використання комп'ютерних технологій у навчальному процесі” (Харків, 1997 р.).

Публікації: По матеріалам дисертаційної роботи опубліковано 7 праць, з яких 4 у виданнях, затверджених ВАК України.

Обсяг та структура дисертації: Дисертація складається з вступу, п'яти розділів і висновків, які викладено на 185 сторінках друкованого тексту. Вона містить 167 сторінок основного тексту, 89 малюнків, 33 таблиці, перелік використаних джерел з 96 найменувань та 2 додатки.

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність вибраної теми, сформульовані мета та задачі досліджень, визначені наукова новизна та практичне значення роботи, а також приведені відомості про апробацію та впровадження результатів роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасних існуючих методів боротьби з завадами в системах акустичного зондування атмосфери, а також можливостей застосування адаптивних авторегресійних фільтрів.

Аналіз дозволив встановити, що основні заходи захисту від акустичних завад в системах акустичного зондування є такі:

підвищення потужності зондуючих акустичних сигналів;

застосування спеціальних конструкцій антен зі складною апертурою, які мають вузький основний пелюсток діаграми напрямленості і низький рівень бокових пелюстків, що дозволяє послабити вплив активних і пасивних акустичних завад по боковим пелюсткам;

застосування попередньої фільтрації корисних сигналів, в тому числі з використанням цифрових методів обробки, з метою подавлення завадових сигналів за межами смуги можливих доплерівських частот корисного сигналу;

постійне відстеження завадової обстановки і аналіз розподілу потужності завад по частоті з метою швидкого переходу на інші частоти зондування, вільні в даний момент від шумів.

У першому розділі відмічено, що перераховані вище методи боротьби з завадами не дозволяють вирішити цю проблему повністю і мають ряд обмежень по застосуванню.

По-перше, підвищення випромінюваної потужності корисного сигналу призводить до збільшення розмірів сучасних содарів, а також до різкого збільшення потужності, яка споживається системою в цілому, що пов'язане з додатковими матеріальними витратами.

По-друге, в діапазонах частот акустичного зондування достатньо складно синтезувати недорогі антени, які мають вузьку діаграму напрямленості і низький рівень бокових пелюстків. Виробництво подібних антенних систем позв'язане з великими технологічними, технічними труднощями і призводить до істотного збільшення собівартості системи в цілому. Крім того, занадто сильно звужувати ширину основного пелюстка акустичних антен недоцільно, бо при сильному вітрі зондуючий акустичний сигнал може видуватися за його межі внаслідок явища вітрової рефракциї.

По-третє, попередня фільтрація корисних відбитих сигналів далеко не завжди виявляється ефективною, оскільки для того, щоб забезпечити проходження корисного сигналу з урахуванням всіх можливих доплерівських частот фільтр повинен мати смугу порядку 1 кГц. Так як спектри акустичних шумів літаків практично перекривають увесь діапазон частот акустичного зондування, то адаптивний перехід акустичними локаторами на інші робочі частоти малоефективний. Крім того, режими роботи, які пов'язані зі змінами робочих частот содарів, накладають особливі вимоги на конструкцію антенної системи, бо при змінах частоти змінюються параметри діаграми напрямленості і т. і.

Проведений аналіз дозволив встановити, що в літературі не висвітлені взагалі або недостатньо вивчені наступні питання:

створення ефективних конструктивних математичних моделей для опису відбитих акустичних сигналів та завад;

перевірка можливостей застосування адаптивних авторегресійних фільтрів для подавлення активних акустичних завад в реальних умовах аеропорту та поблизу автомагістралей;

ефективні методи подавлення пасивних акустичних завад, викликаних відбиттям від місцевих близьких об'єктів.

На підставі проведеного огляду та аналізу сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ присвячений створенню адекватних моделей розсіяних акустичних сигналів і завад. Основним інформативним параметром в системах акустичного зондування атмосфери є доплерівська частота. Крім того, більшість відомих з публікацій алгоритмів розпізнавання класів турбулентностей, а також визначення параметрів турбулентностей засновані на спектральному підході. Тому за основний критерій адекватності моделі розсіяного сигналу був вибраний ступінь близькості енергетичних спектрів реального і модельного сигналів. В якості математичної основи для моделювання була вибрана модель авторегресії (АР), що має ряд переваг перед іншими відомими моделями. Зокрема, можна відзначити, що модель АР є конструктивною, тобто вона має мінімально необхідну кількість параметрів, для знаходження яких обчислювальні процедури мають лінійний характер. З її допомогою можна порівняно просто синтезувати структурні схеми і алгоритми для формування випадкових процесів з заданими спектрально-кореляційними властивостями. Параметрами АР моделі випадкових сигналів є коефіцієнти АР і порядок моделі. Основне рівняння авторегресії можна представити у вигляді:

(1)

де Ф_j- коефіцієнти АР;

- відліки сигналу;

a_t- некорельовані випадкові відліки типу білого шуму;

р- порядок моделі АР.

В даному розділі отримані аналітичні співвідношення, що зв'язують коефіцієнти АР з параметрами енергетичного спектру - центральною частотою і шириною смуги по рівню половини потужності. Співвідношення отримані для одномодових і двомодових скалярних і комплексних випадкових процесів.

Рівняння, що зв'язують коефіцієнти АР з параметрами двомодового спектру, мають такий вигляд:

,

,

,

,

де - центральні частоти спектральних мод;

- ширини смуг спектральних мод по рівню потужності 0.5;

Т - інтервал дискретизації.

Аналогічні залежності для двомодового випадкового процесу з квадратурними складовими мають вигляд:

,

,

,

,

де - косинусні складові комплексних коефіцієнтів АР;

- синусні складові комплексних коефіцієнтів АР.

Наведені структурні схеми АР фільтрів, що дозволяють формувати випадкові процеси з заданими параметрами спектральної густини потужності (СГП). Формування багатомодових випадкових процесів необхідне для адекватного моделювання реальних акустичних завадових сигналів, створюваних літаками. Результати досліджень свідчать про те, що більшість таких акустичних завад мають декілька максимумів у спектрах.

Досліджені можливості отримання випадкових процесів з детермінованою фазою, з заданими кореляційними властивостями, а також з довільною формою СГП. Наведені відповідні структурні схеми формуючих АР фільтрів. Алгоритм для формування випадкових процесів з довільною формою енергетичного спектру дозволяє одержувати процеси з формою СГП практично будь-якої складності. Перевірка запропонованого алгоритму проводилася з використанням спектрів відбитих радіолокаційних та акустичних сигналів. Вибір оптимального порядку моделі АР здійснювався за допомогою відомого критерію Бартлета.

З метою побудови моделі АР реальних розсіяних акустичних сигналів досліджувалися 2000 реалізацій довжиною 256 комплексних відліків кожна. Для визначення оптимального порядку моделі використовувались два відомих критерії - мінімуму помилки передбачення та критерій Бартлета. Застосування двох критеріїв привело до однакових результатів, згідно яких реальні розсіяні акустичні сигнали можуть бути представлені моделлю АР 6...7 порядку.

Таким чином результати досліджень даного розділу свідчать про реальні можливості створення адекватних моделей розсіяних акустичних сигналів та завад за допомогою моделі авторегресії.

Третій розділ присвячений синтезу адаптивних і неадаптивних авторегресійних фільтрів і дослідженню їх характеристик.

Наведені результати досліджень, отриманих шляхом моделювання на ПЕОМ, по впливу корельованих завад на точність оцінок центральної частоти сигналу. Сигнал і завада формувалися за допомогою методів, описаних в розділі 2. Аналіз проведених експериментів по дослідженню впливу білого шуму і корельованої стаціонарної завади на оцінку центральної частоти дозволяє зробити наступні висновки:

вплив завади типу білого шуму на оцінку центральної частоти незначний і при усередненні по спектрам практично може бути усунений;

наявність одномодової корельованої завади зміщує оцінку центральної частоти корисного сигналу в бік частоти моди завади;

оцінка СГП за допомогою зглажуючих спектральних вікон не завжди дозволяє розділити сигнал і заваду. Можливість їхнього розділення залежить від різниці частот їх мод, довжини реалізації і ширини спектрального вікна, що застосовується. Навіть при достатньому частотному рознесенні сигналу та завади, на величину оцінки центральної частоти істотний вплив виявляє наявність останньої;

вплив завади на оцінку центральної частоти росте зі зменшенням ширини її смуги при фіксованому співвідношенні сигнал/шум.

Проведено синтез відбілюючих фільтрів прямої реалізації, неадаптивних і адаптивних решітчатих фільтрів. Синтез адаптивного РФ був проведений на базі відомого рекурсивного решітчатого алгоритму найменших квадратів (РНК), але рівняння, які описують РНК, були узагальнені для випадку комплексних сигналів. Це дало можливість застосувати приведені алгоритми обробки інформації в реальній системі акустичного зондування.

Наведена структурна схема адаптивного РФ з завадовим (опорним) каналом. Відзначено, що даний тип схеми має переваги перед усіма іншими завдяки властивості РФ ортоганалізувати вхідні сигнали. За рахунок цього досягається надзвичайна швидкість збіжності алгоритму і ефективне відстеження завади. Зважаючи на відсутність в літературі відомостей про потенційні можливості даного алгоритму по фільтрації був проведений ряд експериментальних досліджень шляхом статистичного моделювання. Зокрема в результаті експериментів встановлено, що мінімальні похибки в оцінці центральної частоти мають місце при порядках фільтру, які відповідають порядку моделі АР завади. Крім того, схема забезпечує абсолютні похибки вимірів, які не перевищують 5-6 Гц при співвідношеннях сигнал/шум до -70 дБ включно, що не перевищує 1% відносної похибки вимірів. Встановлено, що даний фільтр забезпечує достатню якість фільтрації завади навіть в випадках перекриття частотних спектрів сигналу і завади. Відносна помилка оцінки центральної частоти сигналу при цьому не перевищує 1%, але збільшується приблизно до 3-5% середньоквадратичне відхилення оцінки. Наведені результати, які дозволяють зробити висновок про те, що похибка оцінки частоти сигналу після фільтрації росте при збільшенні ширини смуги завади. Це пояснюється тим, що більш широкосмугова завада є менш корельованою, тому зменшується ступінь кореляційної залежності між процесами в основному і опорному каналах. Слід відзначити, що погіршення якості фільтрації при збільшенні ширини смуги завади спостерігається тільки при достатньо малих значеннях сигнал/шум Q. Наприклад, при дБ погіршення точності вимірів частоти сигналу після фільтрації практично не спостерігається, але це починає відбуватися при співвідношеннях дБ. В випадку розширення спектру завади знижуються граничні значення Q, при яких схема з завадовим каналом забезпечує достатню точність оцінок. Зокрема для завади з центральною частотою 3 кГц і шириною спектру по рівню половини потужності 1 кГц прийнятна точність вимірів забезпечується при дБ.

Основна перешкода, яка стоїть на шляху застосування радіолокаційних методів боротьби з пасивними завадами при акуcтичному зондуванні, полягає в тому, що кореляційна залежність між сигналами пасивної завади в сусідніх періодах обзору значно нижча, ніж в радіолокаційних системах. Це відбувається із-за того, що зондуючий акустичний сигнал в процесі поширення змінює свою швидкість під впливом вітру. В свою чергу це призводить до додаткового паразитного доплерівського зсуву частоти.

В роботі пропонується метод подавлення пасивних акустичних завад за допомогою відбілюючих фільтрів прямої реалізації або РФ. Для того, щоб синтезувати такий фільтр, необхідно знати АР параметри завади. Основному рівнянню авторегресії (1) відповідає Z-перетворення, що може бути представлено у вигляді характеристичного рівняння

.

Корені рівняння (4) або координати на Z-площини відповідають спектральним параметрам енергетичного спектра процесу, а саме центральній частоті і ширині спектру по рівню потужності 0.5. В результаті теоретичних досліджень встановлено, що при додаванні двох АР процесів, кожному з яких відповідає свій корень на Z-площині, формується випадковий процес, серед Z-коренів якого присутні корені вхідних випадкових процесів. Ця особливість може бути виявлена при побудові моделі АР сумарного процесу більш високого порядку. Для підтвердження результатів, отриманих шляхом моделювання і теоретично, проводилися дослідження на реальних сигналах. В результаті експериментів встановлено, що в усіх розглянутих реалізаціях на частоті, близькій до нульової, присутній корінь, який визначає положення пасивної завади на осі частот. Знаючи корінь, що відповідає за пасивну заваду, можна синтезувати відбілюючий фільтр для її подавлення. Корінь характеристичного рівняння, що визначає заваду, має максимальний модуль. Ця обставина дозволяє легко відділити його від коренів, що належать корисному розсіяному сигналу. Запропонований алгоритм обробки сигналів дозволяє забезпечити подавлення пасивних акустичних завад в середньому на 20-25 дБ, в той час як гребінчаті фільтри подавлення, що використовуються в радіолокації, в тій же ситуації забезпечують коефіцієнт подавлення, рівний в середньому 2-4 дБ. Таким чином, запропонований в даній роботі алгоритм подавлення пасивних завад дозволяє досягнути результатів, що перевищують можливості гребінчатих фільтрів приблизно на 20 дБ. Для типових спектральних параметрів корисного сигналу та завади значення коефіцієнта покращення відношення сигнал-шум, яке забезпечується при застосуванні даного алгоритму, знаходиться в межах від 8 до 14 дБ в залежності від розносу по частоті сигналу та завади.

Приведені алгоритми обробки сигналів, які математично базуються на моделях авторегресії-ковзаючого середнього і які враховують механізми частотного спотворення сигналів при відбіленні завади. Запропоновані алгоритми обробки сигналів дозволяють зменшити максимальну відносну похибку в оцінці центральної частоти корисних сигналів в залежності від вхідних спектральних параметрів сигналу і завади в середньому від 20% без їх застосування до 5% після їх застосування.

Таким чином результати досліджень даного розділу свідчать про ефективність застосування авторегресійних фільтрів для подавлення активних та пасивних акустичних завад в системах дистанційного зондування атмосфери.

У четвертому розділі представлені результати експериментальних досліджень по подавленню за допомогою запропонованих алгоритмів активних акустичних завад, створюваних двигунами літаків, автомобільними карбюраторними і дизельними двигунами.

Наведені енергетичні спектри акустичних шумів авіаційних, автомобільних карбюраторних і дизельних двигунів, детально досліджені їх динамічні спектрально-кореляційні характеристики, визначені інтервали стаціонарності.

Наведені результати подавлення активних акустичних завад за допомогою неадаптивних РФ. Встановлено, що порядки фільтрів, при яких досягаються максимальні коефіцієнти подавлення, мають оптимальні значення, рівні 2...3 в залежності від типу завади. Визначено, що за допомогою неадаптивних РФ практично неможливо досягнути бажаної якості відбілення по заданому рівню бокових пелюстків автокореляційної функції завади на виході фільтру. Визначені оптимальні порядки РФ, при яких відбілена завада максимально наближена до білого шуму.

Представлені результати подавлення активних акустичних завад за допомогою адаптивних РФ. Встановлено, що оптимальні порядки фільтрів Р_опт, при яких досягаються максимальні коефіцієнти подавлення К_попт, рівні 2...6 в залежності від типу завади. Основні результати наведені в табл. 1.

Таблиця 1. Оптимальні порядки адаптивних РФ

Режим Роботи	Ту-134 Прогрів	Ту-134 Руління	Ту-134 Зліт	Ан-24 Прогрів	Ан-24 Руління	Ан-24 Зліт	ГАЗ-24	Дизель
Ропт	4	5...6	2	2	4	2	3...4	4...5
Кпопт, дБ	25	22	37	37	31	39	28	23

Визначено, що за допомогою адаптивних РФ можна досягнути практично будь-якої якості обілення завад шляхом підвищення порядку фільтру. При цьому вигляд автокореляційної функції завади на виході фільтру монотонно наближається до форми, властивої для білого шуму. В табл. 2 приведені значення порядків адаптивних РФ, при яких рівень бокових пелюстків автокореляційної функції відбіленої завади не перевищує 10 %.

Таблиця 2. Оптимальні порядки адаптивних РФ по формі автокореляційної функції

	ТУ-134 Прогрів	ТУ-134 Руління	ТУ-134 Зліт	АН-24 Прогрів	АН-24 Руління	АН-24 Зліт	ГАЗ-24	Дизель
Ропт	7...8	12	8	5...6	7...8	5...6	9...10	11...12

Наведені результати подавлення реальних активних акустичних завад за допомогою адаптивного РФ з завадовим каналом для частот зондування в діапазоні від 200 Гц до 5 кГц. Встановлено, що застосування завадового каналу забезпечує фільтрацію завад і наступну оцінку центральної частоти корисного сигналу з відносною похибкою не більше 1% при співвідношеннях сигнал/шум дБ навіть при 1-му порядку фільтру. З'ясовано, що практично для всіх режимів роботи авіаційних і автомобільних двигунів існують оптимальні порядки РФ, при яких відносна похибка оцінок центральної частоти не перевищує 1% при співвідношеннях с/ш дБ. Відповідні результати експериментальних досліджень наведені в табл. 3.

Таблиця 3. Оптимальні порядки адаптивних РФ з опорним каналом

	Ту-134 Прогрів	Ту-134 Руління	Ту-134 Зліт	Ан-24 Прогрів	Ан-24 Руління	Ан-24 Зліт	ГАЗ-24	Дизель.
Ропт	4	5	2	5	3	2...3	4	4

Достовірність результатів, отриманих шляхом статистичного моделювання, була перевірена за допомогою нерівності Рао-Крамера.

П'ятий розділ присвячений розробці рекомендацій по застосуванню адаптивних РФ для подавлення нестаціонарних акустичних завад в умовах сучасного аеропорту. Приведений типовий розрахунок енергетичних параметрів акустичного локатору для стандартної конфігурації антенної системи в умовах впливу інтенсивних акустичних завад, створюваних реактивними літаками в режимі зльоту. Встановлено, що при застосуванні антенних систем, що забезпечують подавлення по боковим пелюсткам -50 дБ, для забезпечення співвідношення сигнал/шум =1 при зльоті реактивного літака потрібна випромінювана акустична потужність не менше 7 кВт, що на сьогодняшній день є нереальним. Слід відзначити, що рівень бокових пелюстків -50 дБ є практично граничним для акустичних антенних систем, а антени з такими параметрами надто коштовні. Показано, що застосування адаптивного РФ з завадовим каналом дозволяє зберегти дієздатність содара при співвідношеннях сигнал/шум на вході приймача -50 дБ, що в принципі еквівалентно використанню завадостійкої коштовної антенної системи. Застосування адаптивного РФ з завадовим каналом дозволить для забезпечення дієздатності содара при зльоті реактивного літака знизити необхідну акустичну потужність, що випромінюється, приблизно до 6...7 Вт і, крім того, зменшити вимоги до завадостійкості антенної системи.

В розділі наведена функційна схема акустичного локатора з основними необхідними блоками, що дозволять реалізувати запропоновані алгоритми подавлення завад. Представлена схема найбільш оптимального розташування антенної системи при реалізації завадового каналу, а також основні варіанти розташування антен, що враховують залежність спектрально-кореляційних властивостей завадових сигналів від ракурса джерела завад відносно антен.

Наведені результати досліджень по визначенню швидкодії решітчатого РНК алгоритму при відстеженні активних акустичних завад, створюваних літаками. Визначена швидкість збіжності РНК алгоритму конкретно для кожного типу завади, які розглядались в роботі.

Приведені результати розрахунків, які свідчать про реальні можливості реалізації запропонованих алгоритмів обробки сигналів у реальному масштабі часу при використанні сучасної мікропроцесорної елементної бази.

Основні наукові результати та висновки

1. Результати досліджень, проведених в дисертаційній роботі, свідчать про те, що застосування алгоритмів обробки сигналів на базі адаптивних авторегресійних фільтрів для захисту від активних та пасивних акустичних завад в системах дистанційного зондування в цілому є ефективним і дозволяє вирішити основну проблему - забезпечення безперервності вимірів основних метеопараметрів в умовах аеропортів та поблизу промислових об'єктів і автомагістралей.

2. В дисертаційній роботі на базі моделі авторегресії розроблені алгоритми, що дозволять формувати випадкові процеси таких видів:

одно- і двомодові скалярні та комплексні процеси з заданими параметрами СГП - центральними частотами і шириною смуг по рівню потужності 0.5;

випадкові процеси з частково детермінованими параметрами;

випадкові процеси з заданими кореляційними властивостями;

випадкові процеси з довільною формою СГП, які задаються аналітично або графічно.

За допомогою запропонованих методів формування випадкових процесів в дисертаційній роботі відпрацьовані алгоритми подавлення завад, досліджені їх потенційні можливості шляхом статистичного моделювання. Крім того, запропоновані алгоритми можуть бути використані і використовувались для проведення метрологічної атестації реальних систем акустичного зондування.

3. Показано, що реальні розсіяні акустичні сигнали по критерію мінімуму дисперсії помилки передбачення та по критерію Бартлета мають оптимальний порядок моделі авторегресії, рівний 6...7.

4. Аналіз експериментальних даних свідчить про те, що поведінка пасивної завади в системах радіоакустичного та акустичного зондування істотно відрізняється від поведінки аналогічного типу завад в радіолокації. Тому застосування радіолокаційних методів подавлення пасивних завад в радіоакустичних і акустичних системах малоефективне і вимагає ускладнення апаратури. Запропонований алгоритм цифрової обробки сигналів з метою подавлення пасивних акустичних завад достатньо ефективний і дозволяє подавити пасивну заваду в середньому на 20-25 дБ. Теоретичний аналіз свідчить про те, що запропонований алгоритм подавлення пасивних завад дозволяє досягнути результатів, що перевищують можливості гребінчатих фільтрів в середньому на 20 дБ. Запропонований алгоритм може також застосовуватися в системах радіолокації та радіоакустичного зондування.

5. В ході проведених досліджень встановлено, що СГП реальних завадових сигналів, створюваних гвинтовими і реактивними літаками при різноманітних режимах роботи їх двигунів, а також автомобільними карбюраторними та дизельними двигунами, мають нестаціонарний характер. Інтервал стаціонарності всіх типів розглянутих завад не перевищує 50 мс. Швидкодія використаного в дисертаційній роботі адаптивного решітчатого рекурсивного алгоритму достатня для ефективного відслідкування змінних спектрально-кореляційних властивостей усіх типів розглянутих в роботі завад.

6. При відбіленні реальних активних акустичних завад неадаптивним РФ оптимальні порядки фільтрів знаходяться в межах від 2 до 3.

7. Максимальні коефіцієнти подавлення активних акустичних завад неадаптивними РФ в залежності від типу завади знаходяться в межах від 18 до 32 дБ.

8. За допомогою застосування неадаптивних РФ практично неможливо забезпечити необхідну якість відбілення активних акустичних завадових сигналів по заданому рівню бокових пелюстків автокореляційної функції завад після процедури відбілення.

9. Порядки адаптивних РФ, при яких досягаються максимальні коефіцієнти подавлення реальних активних акустичних завад знаходяться в межах від 2 до 6.

10. Максимальні значення коефіцієнтів подавлення активних акустичних завад адаптивними РФ в залежності від типу завади знаходяться в межах від 22 до 39 дБ.

11. Порядки адаптивних РФ, при яких рівень бокових пелюстків автокореляційної функції відбілених завадових сигналів не перевищує 10%, в залежності від типу завади знаходяться в межах від 5 до 12. При подальшому збільшенні порядків адаптивних РФ вигляд автокореляційної функції сигналів завад монотонно наближається до автокореляційної функції, властивої для білого шуму.

12. Застосування адаптивного решітчатого фільтру з завадовим каналом забезпечує ефективну роботу системи акустичного зондування при співвідношеннях сигнал/шум дБ. При цьому максимальна похибка оцінки швидкості вітру на частоті зондування 5 кГц для бістатичної стандартної конфігурації антенної системи не перевищує 0,3 м/с.

Технічні параметри акустичного локатору з використанням запропонованих в дисертаційній роботі способів захисту від завад відповідають основним вимогам Міжнародної організації цивільної авіації ІКАО. Ефективна робота системи акустичного зондування забезпечується навіть в тих випадках, коли розсіяний корисний сигнал і завада перекриваються по частоті. При цьому не відбувається погіршення точності вимірів центральної частоти корисного сигналу, але збільшується на декілька відсотків середньоквадратичне відхилення оцінок доплерівської частоти. Отриманий в дисертаційній роботі результат має важливе практичне значення при проектуванні систем акустичного зондування, призначених для використання в авіації, оскільки дає можливість забезпечити безперервність процесу вимірів основних метеопараметрів поблизу і над ЗПС навіть при стартах реактивних літаків, а також при виконанні ними режиму руління. Впровадження запропонованих алгоритмів обробки сигналів в існуючі системи зондування та ті, що проектуються, дозволить істотно підвищити рівень безпеки зльоту та посадки реактивних і гвинтових літаків.

Основні результати дисертації викладені в таких роботах

1. Корецкий Э.А. Модель авторегрессии одномодовых и двумодовых стационарных случайных процессов. // Радиотехника. - 1998. - № 107. - с. 59-63.

2. Корецкий Э.А. Особенности подавления пассивных помех в системах акустического зондирования атмосферы. // Вестник ХГПУ. - 1998. - № 27. - с. 49-52.

3. Корецкий Э.А. Особенности подавления активных самолетных помех в системах акустического зондирования атмосферы. // Вестник ХГПУ. - 1998. - № 27. - с. 53-58.

4. Корецкий Э.А. Подавление акустических самолетных помех в системах дистанционного зондирования атмосферы при использовании решетчатых фильтров. // Вестник ХГПУ. Серия “Новые решения в современных технологиях”. - 1999. - № 55. - с. 18-21.

5. Модель авторегрессии аналитического сигнала с частично детерминированными параметрами // Алехин В.И., Корецкий Э.А., Рыженко А.И., Тихонов В.А.; Харьк. гос. техн. ун-т радиоэлектроники. - Харьков, 1994. - 13 с. - Деп. в ГНТБ Украины 03.06.94, № 1078- Ук 94.

6. Авторегрессионное моделирование случайных процессов с заданными корреляционными свойствами // Алехин В.И., Корецкий Э.А., Рыженко А.И., Тихонов В.А.; Харьк. гос. техн. ун-т радиоэлектроники. - Харьков, 1994.- 11 с. - Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 03.10.94, № 1962- Ук94.

7. Моделирование имитационных сигналов с заданной формой спектральной плотности мощности // Алехин В.И., Корецкий Э.А., Кравченко Н.И., Тихонов В.А.; Харьк. гос. техн. ун-т радиоэлектроники. - Харьков, 1994 -11 с.- Рус. - Деп. в ГНТБ Украины 02.03.95, № 594 - Ук 95.

Размещено на Allbest.ru