Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Интерферометрический метод пассивной локации малошумных источников звука с использованием векторно-скалярных приемников. Казначеев Илья Викторович

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Казначеев Илья Викторович. Интерферометрический метод пассивной локации малошумных источников звука с использованием векторно-скалярных приемников.: диссертация ... кандидата Физико-математических наук: 01.04.06 / Казначеев Илья Викторович;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»], 2018

Введение к работе

Актуальность темы

В настоящее время для освещения подводной обстановки наряду с традиционными методами пассивной локации [1] получили развитие методы, основанные на согласованной со средой обработке гидроакустических сигналов (matched-field processing) [2, 3], позволяющие оценивать пеленг, глубину источника и расстояние до него. Они базируются на построении пространственного фильтра, позволяющего по принятой выборке сигнала оптимальным (в соответствии с заданным критерием) обнаружить на фоне помехи источник и оценить его координаты. Данные методы достигли предельных возможностей и не позволяют решать задачи обнаружения и идентификации (определение координат) малошумных источников.

Традиционные методы [1] предполагают однородность океанической среды, разрешение сигналов, приходящих по отдельным лучам, и отсутствие волноводной дисперсии, что для мелководных акваторий является грубым приближением; к тому же им присуще низкая помехоустойчивость, не позволяющая обнаруживать малошумные источники. Существенными недостатками методов согласованной обработки [2, 3] являются чувствительность к рассогласованию между расчетной моделью и реальным волноводом [4], а также низкая помехоустойчивость [5]. Даже тогда, когда удается компенсировать рассогласование, алгоритмы теряют эффективность при уменьшении входного отношения сигнал/помеха (с/п). Особенно актуальна эта проблема для мелкого моря, где отсутствует достоверная информация о параметрах дна, а нестационарные процессы в водной толще могут приводить к существенной гидрологической изменчивости, что вносит неопределенность в модельную передаточную функцию.

Решение проблемы локализации источника (обнаружения и идентификации) при малом входном отношении с/п в условиях нестационарной гидрологической обстановки и отсутствия надежной информации о рельефе дна и параметрах грунта требует разработки новых методов обработки гидроакустических сигналов. Первые успешные шаги в этом направлении сделаны в работах [6-9], где были заложены основы интерферометрического метода, использующего когерентное накопление частотных смещений максимумов волнового поля вдоль интерференционных полос, формируемых источником, и двукратное преобразование Фурье интерференционной картины (интерферограммы). Интерферометрический метод, в отличие от методов согласованной обработки, способен обеспечивать устойчивую локализацию источника при существенно меньшем входном отношении с/п и в условиях нестационарности морской акватории.

Таким образом, разработка интерферометрического метода локализации источника применительно к малошумным источникам с использованием векторно-скалярных приемников (ВСП) [10] представляет собой актуальную задачу современной гидроакустики, направленной на разработку новых методов обработки гидроакустических сигналов на основе нового поколения средств измерений. Использование ВСП позволяет анализировать четырехмерные характеристики звукового поля и тем самым расширяет возможности обработки гидроакустических сигналов за счет более полного извлечения информации из каждой точки поля.

Цель и задачи

Целью работы является развитие физических основ и апробация интерферометрического метода локализации малошумных источников звука в мелководных океанических акваториях с использованием одиночных ВСП.

Решаемые задачи:

установление границ применимости метода и оценка его помехоустойчивости применительно к шумовому источнику;

сравнительный анализ помехоустойчивости метода по отношению к скалярной и векторным компонентам поля;

разработка алгоритмов пеленгования, разрешения нескольких источников и их экспериментальная проверка;

апробация помехоустойчивости и чувствительности метода по отношению к вариациям параметров дна.

Методы исследования

Решение поставленных задач осуществлялось в рамках аналитического рассмотрения, компьютерного моделирования и обработки данных натурных экспериментов.

Научная новизна

определены границы применимости интерферометрического метода, когда интерферограмма обусловлена только свойствами передаточной функции волновода и не зависит от поля источника;

получена оценка предельного входного отношения с/п для шумового источника, при котором реализовывается когерентное накопление спектральных максимумов вдоль интерференционных полос, так что источник обнаруживается и оценки его координат близки истинным значениям;

в рамках интерферометрического метода разработаны помехоустойчивые алгоритмы:

а) пеленгования, позволяющего определять однозначное направление на шумовой источник; б) разрешения нескольких шумовых источников различной интенсивности, обусловливающего обнаружение и восстановление координат разрешенных источников (пеленг, радиальная скорость (скорость в направлении приемника), удаление, глубина) с такой же точностью, если бы другие источники отсутствовали;

выполнена экспериментальная проверка интерферометрического метода по
обнаружению, восстановлению координат и разрешению источников с
использованием ВСП.

Практическая значимость

Полученные результаты могут быть использованы в задачах:

обнаружения и определения координат малошумных источников на больших расстояниях;

обнаружения и идентификации малошумных источников на фоне распределенной помехи и интенсивных шумовых локализованных помех;

обнаружения и определения координат затонувших объектов, снабженных звуковыми маячками;

оценки мощности излучения малошумными источниками звука;

создания устойчивых каналов подводной связи, очищенных от помех.

Защищаемые положения

условия применимости представления шумового источника в виде источника с постоянным спектром и присоединенной помехой, дисперсия которой равна половине средней мощности сигнала; предельное входное отношение с/п в случае шумового источника в полтора раза превышает соответствующее значение для постоянного спектра;

возможна когерентная обработка сигнала шумового источника и частотно-временная когерентность спектрограмм векторно-скалярных компонент поля;

результаты обработки данных натурных экспериментов демонстрируют высокую помехоустойчивость интерферометрического метода обнаружения и определения координат шумового источника;

разрешение нескольких шумовых источников может быть осуществлено, если локализованные области спектрограмм источников полностью не накладываются друг на друга, позволяя идентифицировать их на фоне помехи;

использование двух ВСП позволяет с высокой помехоустойчивостью осуществлять однозначное направление на шумовой источник.

Достоверность результатов

Выводы работы подтверждаются соответствием между теоретическим анализом, численным экспериментом и данными обработки натурных экспериментов.

Апробация работы и публикации

Материалы диссертации доложены на: II Всероссийской акустической конференции, совмещенной с XXX сессией Российского акустического общества (Н.- Новгород, 2017 г., 6-9 июня); XIV Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». ГА-2018. (С.-Петербург. 2018 г., 23-25 мая); XVI школы-семинара им. акад. Л.М. Бреховских, совмещенной с XXXI сессией Российского акустического общества (Москва, 2018 г., 29 мая-01 июня); XXIV Международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь» (RLNC2018) (Воронеж, 2018 г., 17-19 апреля).

Материалы диссертации отражены в 14 печатных работах, 8 из которых опубликованы в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК.

Работа подготовлена в рамках плановых НИР кафедры математической физики Воронежского государственного университета и при частичной поддержке программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН «Фундаментальные проблемы акустики искусственных и природных сред».

Личный вклад автора

Задачи работы и методы исследования были сформулированы научным руководителем д.ф.-м.н. Пересёлковым С.А. Личный вклад автора состоял в проведении теоретического рассмотрения, численного моделирования, обработке экспериментальных данных и анализе результатов. Все представленные в диссертации результаты получены соискателем лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 62 наименований. Она содержит 92 страниц, 57 рисунков, 7 таблиц. В первом параграфе главы приводится обзор опубликованных работ, излагается круг рассматриваемых вопросов; завершается глава перечнем основных результатов. В диссертации принята сквозная нумерация формул, рисунков и таблиц внутри каждой главы. При этом ссылка (1.6) означает шестую формулу из первой главы, рис. 2.11 - одиннадцатый рисунок из второй главы, табл. 3.2 - вторую таблицу из третьей главы.