Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время к исследованиям в области пространственной и временной обработки сигналов проявляется повышенный интерес, связанный с возможностью реализации на практике сложных алгоритмов благодаря быстрому совершенствованию современной вычислительной техники. Широкий спектр методов обработки сигналов активно используется в акустике, радиолокации, геофизике, гидроакустике, радиоастрономии, сейсмологии и т.п.. Различные области приложений имеют свою специфику іг требуют разработки соответствующих адаптированных методов.
Новые методы, как правило, возникают двумя путями. Классический путь состоит в строгом аналитическом получении алгоритма обрабо7Ки принимаемых сигналов с использованием одного из методов оптимизации. Примером хорошо известного метода оптимизации является метод максимального правдоподобия (МП). Другим путем возникновения новых методов обработки является эвристический, когда предлагается некоторый алгоритм, а его качество исследуется сравнением полученных характеристик с характеристиками оптимального алгоритма.
Имеется ряд фундаментальных работ, в которых подробно изложены основы теории МП оценивания. Именно этот метод был использован ранее для получения оптимальной оценки мощности широкополосного стохастического источника при приеме на мко-гоэлементную антенну в некоррелированном однородном шумовом поле. Однако, в гидроакустике, в реальных морских условиях, предположение об однородности шумового поля часто не выполняется и акустические шумы в точках расположения приемных элементов имеют различную, не известную на момент измерения, мощность. Решение этой задачи, особенно актуальной для гидроакустики, и обсуждение характеристик полученной оценки является предметом исследования в первой главе диссертации.
Другим путем возникновения новых методов обработки является эвристический, когда предлагается некоторый алгоритм, и его качество исследуется сравнением полученных характеристик с характеристиками оптимального алгоритма. Жизнеспособность этого пути связана с двумя факторами: 1) Весьма значительны математические трудности, возникающие при строгой генерации алгоритма МП методами в практически важных слу-
чаях; 2) Установление качества эвристического алгоритма возможно без знания самого алгоритма путем сравнения дисперсия оценки с границей Крамера-Рао. Таким образом, нахождение границы Крамера-Рао необходимо для определения потенциальной точности измерения в конкретной ситуации, с которой в дальнейшем будут сравниваться соответствующие характеристики всех разрабатываемых методов. Известна такая граница для задачи измерения углового положения локального источника многоэле-меятной антенной в однородном помеховом поле с неизвестной мощностью. Поскольку, как отмечено выше, в гидроакустическом многомодовом нестационарном волноводе однородное поме-ховое поле представляется редким исключением, крайне актуальным является определение границы Крамера-Рао задачи с неоднородной помехой, которая также исследуется в первой главе диссертации.
Большой интерес в настоящее время привлечен к исследованию более сложной проблемы нахождения оптимальной обработки в случае перемещающегося относительно приемной системы источника. Такая задача возникает, например,.при апер-гурном синтезе, для которого может использоваться как движение приемной системы, так и источника. Существует ряд эвристических методов, построенных при некоторых упрощающих предположениях, в частности, о стационарности. При неизвестном уровне помех, что всегда имеет место в нестационарных морских условиях, простейшей приемной системой, позволяющей осуществить обнаружение или измерение мощности излучения такого стохастического источника, является интерферометр. Однако оптимальная МП оценка мощности не была получена строго даже для интерферометра. Кроме того, крайне актуальным является построение робастных алгоритмов оценки мощности и обнаружения, устойчивых к ряду возмущающих факторов, связанных с нестационарностью условий распространения акустического сигнала в морских условиях и. неточностью информации о траектории движения источника.
В последнее время применительно Е мониторингу океана широко обсуждается дифракционно-теневая (просветная) методика наблюдений. При этом главной проблемой является выделение и оценка параметров слабого дифрагированного неоднородностью сигнала на фоне флюктуации прямого сигнала. Поиск строгих оптимальных решений осложняется отсутствием достаточного
статистического описания этих флюктуации и значительными математическими трудностями. Поэтому большой интерес представляет разработка эвристических методов и их проверка на имеющемся экспериментальном материале.
Целью диссертационной работы является развитие методов обнаружения и оценки параметров слабых акустических стохастических и детерминированных сигналов при их приеме пространственно развитыми антеннами в неоднородных нестационарных морских условиях, а также изучение свойств и характеристик полученных методов.
Методы исследований. При решении поставленных задач были использованы методы статистической радиофизики, математического анализа, обработки сигналов, имитационного статистического моделирования на ЭВМ с постановкой и привлечением данных реальных морских экспериментов.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1. Предложен новый асимптотически оптимальный метод из
мерения мощности локальных стохастических источников много
элементной антенной при неизвестных уровнях помех в точках
расположения приемных элементов, полученный непосредственно
методом максимального правдоподобия. Найдена точная граница
Крамера-Рао оценки мощности, определена дисперсия предложен
ной оценки и показано их асимптотическое совпадение как в слу
чае слабых, так и сильных сигналов.
2. Впервые определена потенциальная точность измерения
углового положения источника в пространстве относительно мно
гоэлементной приемной антенны в некоррелированном иомеховом
поле с неизвестным распределением энергии помех по приемной
апертуре при излучении источником как детерминированного,
так и стохастического сигналов.
-
В интерферометрической схеме приема получена асимптотически оптимальная оценка мощности излучения движущегося локального источника и определена ее дисперсия. Предложен и разработан новый эвристический метод измерения, робастный к нестационарным условиям распространения в море и неточности контроля траектории движения источника.
-
Предложен новый, робастный к перечисленным выше факторам, интерференционный обнаружитель слабого стохастического широкополосного локального перемещающегося источника в нестационарных условиях распространения при нестационар-
ной помехе с неравномерным спектром и получена его рабочая характеристика. Разработаны компьютерные программы для обработки оаписей сигналов, сделанных в ходе реальных морских экспериментов.
5. Впервые на стационарной трассе протяженностью 13 км,
образованной двумя судами, каждое из которых было растянуто
на двух заякоренных рейдовых бочках, в Баренцевом море экс
периментально исследованы пространственно-временные стати
стические характеристики поля тонального источника. Изме
рены частотные спектры и пространственная корреляция поля
на апертуре вертикальной антенны, что позволило определить в
качестве основного физического механизма флюктуации в данном
эксперименте ветровое волнение. Определены количественные
значения статистических параметров, необходимые для постро
ения прогноза эффективности различных гидроакустических си
стем.
6. Предложен новый эвристический алгоритм обнаружения
неоднородности в условиях мелкого моря, включающий согласо
ванную фильтрацию акустического дифрагированного неоднород
ностью в направлении распространения освещающей волны сиг
нала с некогерентным накоплением откликов вдоль вертикальной
антенны, позволяющий оценить эффективный поперечник рассе
яния, скорость перемещения неодвородностпи и ее расстояние до
приемной системы. Разработаны компьютерные программы для
обработки записей сигналов реальных морских экспериментов л
численного моделирования. Впервые в подобных исследованиях
на материале реального морского эксперимента с вертикальными
антеннами показана возможность построения эффективной си
стемы наблюдения.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложен ряд новых эффективных методов обнаружения и оценки параметров сигналов, позволяющий в сложных нестационарных морских условиях при использовании пространственно развитых приемных систем повысить точность акустических измерения и продвинуть диапазон измерения и обнаружения в область более слабых сигналов. Они могут найти применение при обработке массивов экспериментальных данных в акустике, радиолокации, гидролокации и т.д.. Полученные границы Крамера-Рао позволяют определить предельные возможности систем измерения мощности и углового положения источников, что необходимо
на этапе планирования эксперимента и при анализе качества новых алгоритмов. Предложенный метод обнаружения локальной акустической неоднородности по рассеянному в направлении ра-пространення освещающей волны полю и опенки таких параметров, как ее эффективный поперечник рассеяния, скорость перемещения и расстояние, до приемной системы открывает новые возможности в диагностике и мониторинге состояния океана. Положения, выносимые на защиту:
1. Получен новый асимптотически оптимальный метод изме
рения мощности локальных стохастических источников много-
элементной антенной при неизвестных, в общем случае различ
ных, уровнях помех з точках расположения приемных элементов.
Найдена точная граница Крамера-Рао оценки мощности. Опре
делена дисперсия измерения предложенного метода и показано ее
асимптотическое совпадение с границей Крамера-ї'ао как в слу
чае слабых, так и сильных сигналов. Проведено статистическое
компьютерное моделирование, которое подтвердило количествен
ные результаты п преимущество предложенного метода над из
вестным в случае неравных уровней шумов в приемных каналах.
2. С помощью вычисленной границы Крамера-Рао впервые
определена потенциальная точность измерения углового положе
ния источника в пространстве относительно многоэлементной
приемной антенны в неизвестном, неоднородном, некоррелиро
ванном на элементах антенны помеховом ноле при излучении ис
точником как детерминированного, так и стохастического сигна
лов.
3. В иитерферометрической схеме приема лля неоднородного
шумового поля в приближении слабого сигнала получена асим
птотически оптимальная опенка мощности излучения движуще
гося локального источника и определена ее дисперсия. Предложен
и разработан эвристический метод измерения, основанный на на
коплении огибающих частных вэаимнокорреляционных функций,
робастный к таким декоррелирующим факторам, как флюктуа
ции разности задержек распространения сигналов до гидрофонов
интерферометра и погрешности контроля параметров траекто
рии сканирования. Найдена дисперсия предложенной оценки мощ
ности и ее смещение, вызываемое размерами реального источ
ника, неточностью контроля траектории и нарушением условия
локальной стационарности. Показано преимущество предложен
ного метода измерения над классическим при наличии флюктуа-
циіі, вызванных нестационарностыо условий распространения.
-
Предложен новый, робастный к перечисленным выше факторам, интерферометрическпй обнаружитель слабого стохастического широкополосного локального движущегося источника в нестационарных условиях распространения при нестационарной помехе с неравномерным спектром, основанный на накоплении частных огибающих взаимнокорреляционных функций. Получена, рабочая характеристика обнаружителя и дано ее сравнение с ха-рактеристой классического. Показано преимущество предложенного обнаружителя в нестационарных морских условиях.
-
Экспериментально исследованы пространственно-временные статистические характеристики, поля тонального источника на стационарной трассе протяженностью 13 км в Баренцевом море. Полученные частотные спектры и пространственная корреляция поля на апертуре вертикальной антенны, позволили определить в качестве основного физического механизма флюктуации в данном эксперименте ветровое волнение. Определены количественные значения статистических параметров, необходимые для построения прогноза эффективности различных гидроакустических систем. Записи принятых сигналов использованы при моделировании предложенных алгоритмов обработки сигналов.
-
Предложен алгоритм согласованной фильтрации «акустического дифрагированного неоднородностью в направлении распространения освещающей волны сигнала с некогерентным накоплением откликов вдоль вертикальной антенны в условиях мелкого моря, позволяющий обнаружить неоднородность и оценить эффективный поперечник рассеяния, скорость перемещения неод-нородностии и ее расстояние до приемной системы. Выполнено компьютерное моделирование с использованием записей сигналов реальных морских экспериментов, показавшее высокую эффективность предложенного метода.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I и П Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" (Харьков, 1989, 1991 г.г.), 15 Всесоюзной школе-семинаре по статистической гидроакустике (Владивосток, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений" (Москва, 1990 г.), 2 се-сии Российского Акустического Общества "Акустический мони-
торинг сред" (Москва, 1993 г.), международных конференциях Joumees Internationales de Nice sur les Antennes (JINA-94, Фракция, Ница, 1994 г.), International CoUoque sur le Traitement du Signal et des Images (GRETSI, Франция, Жуан-лес-шшс, 1995 г.), International Conference on Acoustic, Speech and Signal Processiag (ICASSP-95, США, Детройт, 1995г.), International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ІСЕАА-95, Италия, Турин, 1995 г.), а также на семинарах Института прикладной физики РАН. Публикации полностью отражают результаты диссертации.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 7 статей в научных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, apex глав и заключение. Общлх объем диссертации составляет 144 страницы, в том числе 109 страниц машинописного текста, 22 рисунка {20 страниц). Список литературы содержит 169 наименований (15 страниц).
Похожие диссертации на Обнаружение и оценка параметров слабых гидроакустических сигналов пространственно развитыми приемными системами в неоднородных морских условиях
