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.