Введение к работе
Актуальность. В настоящее время методы цифровой обработки сигналов находят все более широкое применение при решении научных и прикладных задач физики гндрокос-моса. При оценке потенциальных возможностей этих методов приходится считаться с тем, что наблюдаемые в океане звуковые поля носят случайный характер. В этих условиях оптимальный выбор метода измерения, равно как и корректная интерпретация экспериментальных данных, становятся возможными лишь в рамках статистической теории обработки сигналов. Одна из основных задач, решаемых в рамках этой теории, заключается в анализе потенциальной эффективности выбранного алгоритма обработки. Как показывает анализ литературы, традиционные подходы к решению данной проблемы связаны либо с использованием методов численного моделирования, либо опираются на простейшие аналитические модели наблюдаемых сигналов. Недостаточность подобных подходов для решения задач на современном уровне обусловлена следующими причинами. Численные методы анализа не позволяют прогнозировать параметры систем для каналов с изменяющихся акустическими характеристиками. Использование же аналипгческих моделей сигналов ограничено крайне узким классом задач, допускающих явное решение волнового уравнения. Так, например, даже в простейшем случае плоскостратифнцированного волновода этими методами не удается получить результаты, выходящие за рамки качественных оценок. Сказанным определяется необходимость создания более современного подхода, который позволил бы эффективно оценивать потенциальные возможности измерительных систем для существенно более общей модели волноводных каналов, учитывающей реальные (произвольно заданные неадиабатические) изменения вертикального профиля показателя преломления вдоль трассы распространения сигнала. Полученные на этом пути результаты позволили бы учесть в теории основные особенности распространения в подводном звуковом канале, обусловленные эффектами конверсии мод на неодно-родностях океанической среды, и тем самым дали бы возможность правильно прогнозировать характеристики реальных измерительных систем (в том числе адапивных) в широком диапазоне изменяющихся условий распространения. Сказанным определяется актуальность следующей формулировки целей и задач настоящей диссертации.
Цели диссертационной работы:
- построение адекватной операторной модели распространения волн для переменных по
трассе рефракционных волноводов применительно к задачам подводного распростране
ния звука в океане;
- анализ потенциальных возможностей классических (реализующих тест отношения прав
доподобия) систем пространственно-временной обработки акустических сигналов.
Задачи диссертации включают:
исследование физических закономерностей, свойственных динамике волновых полей в переменных по 'трассе рефракционных волноводах с малым уровнем потерь;
анализ потенциальной эффективности и пространственной избирательной способности приемников детерминированных и стохастических сигналов, включая анализ потенциальной точности измерения параметров источника сигнала в функции от физических параметров канала;
анализ потерь,' возникающих в трактах пространственно-временной обработки сигналов под влиянием неконтролируемых флуктуации среды, присутствующих на фоне произвольно заданной неадиабатической горизонтальной изменчивости канала;
анализ чувствительности характеристик приемных систем к эффектам, связанным с движением источника, в том числе анализ потенциальной эффективности обнаруже-
ния и точности измерения кинематических параметров траектории источника сигналов в переменных по трассе каналах.
Методы исследования основаны на использовании динамических симметрии, вытекающих в квазиоптическом приближении из закона сохранения энергии и принципа причинности. Данный подход позволяет обойти трудности, возникающие из-за невозможности построить аналитическую модель наблюдаемого сигншіи в неоднородное среде, и дает возможность исследовать теоретический предел эффективности классических систем обработки сигналов в функции от физических параметров модели, не прибегая к решению каких-либо дифференциальных уравнений.
Научная новизна.
Исследованы некоторые новые инварианты волновых полей в переменных по трассе рефракционных каналах;
В функции от физических параметров канала исследована потенциальная эффективность классических методов решения обратных задач о точечном источнике детерминированных/стохастических сигналов в нерегулярных океанических волноводах с малым уровнем радиационных потерь и произвольно заданными неадиабатическими изменениями профиля показателя преломления на трассе, в том числе:
- исследованы рабочие характеристики оптимальных приемников акустических сигналов
при больших выходных отношениях сигнал/помеха; найдена функциональная связь обоб
щенной диаграммы направленности оптимальных сигнальных процессоров со спектраль
ными характеристиками полезного сигнала и физическими параметрами канала, а также
найден ее явный вид в функции от расстройки по координатам сигнального источника;
- исследована ковариационная матрица ошибок совместного оценивания координат ис
точника в функции от спектральных характеристик сигнала и физических параметров ка
нала.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть непосредственно использованы на этапе проектирования измерительных систем при решении следующих задач:
оптимизация конфигурации системы исходя из заданных требований к ее характеристикам;
прогнозирование потенциальной эффективности систем заданной конфигурации в отсутствии детальной априорной информации об условиях распространения сигнала;
определение необходимой точности контроля параметров среды в зависимости от требуемой эффективности функционирования системы.
Результаты исследований переданы для внедрения в Акустический институт им. Н.Н.Андреева АН СССР в форме отчета 3677/Л-42 и использовались при выполнении НИР "Алеут", "Омега", "Ось" и др.
Апробация работы. Материалы, включенные в диссертацию, представлялись на конфе
ренции "Гидроакустические информационно-измерительные системы и средства обра
ботки" (Киев 1989); на Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизи
ческих измерений" (Москва 1990); на X Всесоюзной конференции "Информационная
акустика" (Москва 1990); на XI Всесоюзной акустической конференции (Москва 1991),
на III Акустической конференции (Тулуза 1994), а также на межотраслевых семинарах
Акустического института. ,
і Публикация. Основные результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах.
Похожие диссертации на Пространственно-временная обработка сигналов в нерегулярных океанических волноводах
