Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы поиска неподвижных объектов малых размеров, расположенных в толще осадков. выбор направления исследований 14
2. Математические модели сверхширокополосных сигналов 31
2.1. Принципиальные вопросы описания сверхширокополосных сигналов 31
2.2. Радиоимпульс с прямоугольным спектром 39
2.3. Радиоимпульс с прямоугольной огибающей 42
2.4. Радиоимпульс с экспоненциальной огибающей 45
2.5. Гауссовы сигналы 49
2.5.1. Модифицированный гауссов радиоимпульс 49
2.5.2. Моноцикл Гаусса 59
2.6. Сравнительный анализ моделей сверхширокополосных сигналов 61
3. Преобразования сверхширокополосных сигналов в гидроакустическом канале 65
3.1. Математическая модель СШП гидроакустического канала 65
3. 2. Анализ поглощения энергии сигналов в среде 76
3.3. Эхосигналы 83
3.3.1. Влияние среды на узкополосные сигналы 83
3.3.2. Влияние среды на сверхширокополосные сигналы 86
3.4. Помехи в гидроакустическом канале при приеме СШП сигналов 107
3.5. Проблема согласованной фильтрации СШП эхосигналов от объектов, погруженных в осадки 112
4. Измерение координат малоразмерных объектов, погруженных в осадки 120
5. Разрешение сверхширокополосных эхосигналов 149
5.1. Разрешение сверхширокополосных эхосигналов по дальности. 149
5.2. Влияние ширины спектра СШП сигналов на разрешение по угловым координатам 165
Заключение 177
Список использованных источников 184
Приложения 194
- Принципиальные вопросы описания сверхширокополосных сигналов
- Сравнительный анализ моделей сверхширокополосных сигналов
- Проблема согласованной фильтрации СШП эхосигналов от объектов, погруженных в осадки
- Влияние ширины спектра СШП сигналов на разрешение по угловым координатам
Введение к работе
Увеличение масштабов освоения Мирового океана и разнообразия морских технологий сопровождается расширением круга задач, которые возлагаются на гидролокационную технику и ростом требований к ее эксплуатационным, в первую очередь - метрологическим характеристикам.
Одной из актуальных и, одновременно, сложных задач гидролокации является задача поиска неподвижных объектов, погруженных в толщу осадков («заиленных»). К таким объектам относятся «черные ящики» летательных аппаратов, ценные малогабаритные грузы, утерянные в результате несчастных случаев, затонувшие головки ракет или приборные контейнеры космических аппаратов, контейнеры с опасными веществами, особенно - несанкционированные захоронения последних, донные и заиленные мины, затонувшие торпеды и др. В последние годы в связи с активизацией мирового терроризма возросла роль поиска намеренно зарытых в грунт подрывных зарядов, предназначенных для нанесения ударов по таким объектам, как портовые сооружения, плавучие атомные электростанции, морские буровые и т. п. (Упомянутые выше и им подобные по размерам объекты принято называть малоразмерными).
Основные проблемы, связанные с решением главных задач поиска - обнаружения искомых объектов, измерения их координат и классификации (распознавания) - обусловлены неблагоприятным сочетанием следующих основных факторов:
- большим поглощением акустической энергии в донных осадках, которое монотонно растет с увеличением частоты акустических колебаний. Отсюда следует, в первую очередь, принципиальная необходимость применения зондирующих сигналов, спектры которых расположены в возможно более низкочастотной области. Наименьшее допустимое значение нижней граничной частоты зондирующих сигналов определяется размерами объектов. Вследствие частотно-зависимого поглощения спектры эхосигналов от искомых объектов
оказываются существенно отличающимися от спектров зондирующих сигналов, причем точный качественный прогноз этих отличий в реальных условиях становится практически невозможным, что исключает возможность применения согласованной фильтрации эхосигналов при приеме.
сравнительно небольшими размерами искомых объектов и, соответственно, их небольшой отражающей способностью. Энергия эхосигналов от искомых объектов оказывается сравнимой с энергией реверберационной помехи, обусловленной обратным рассеянием зондирующих сигналов случайными неровностями границы вода-дно и случайными объемными неоднородностями приграничного слоя. Для увеличения отношения сигнал/реверберационная помеха необходимо увеличивать ширину спектра зондирующего сигнала.
энергия эхосигналов от объектов указанного выше вида оказывается того же порядка, что и энергия эхосигналов от таких объектов, как валуны, обломки скал и тому подобные «ложные цели». Число таких ложных целей мо-
»
жет в районах поиска значительно превышать число искомых объектов, особенно в зонах интенсивного судоходства, где дно обычно «засорено» выброшенными или утерянными предметами судового оборудования, обломками затонувших судов и т. п. В этих условиях особую роль играет высокое пространственное разрешение объектов (или их частей). Для его обеспечения необходимо расширять ширину спектра зондирующих сигналов.
Единственным видом сигналов, спектр которых может быть расположен в низкочастотной области и одновременно иметь большую ширину, являются сверхширокополосные (СШП) сигналы.
Применение СШП сигналов открывает ряд качественно новых возможностей решения задач радио- и гидролокации, недоступных при использовании обычных сигналов.
Методика инженерного прогнозирования характеристик СШП гидролокаторов находится в стадии становления и еще далека от завершения. Недостаточный уровень развития методики оценки потенциально возможных и техни-
чески достижимых характеристик СШП гидролокаторов, конкретных методик инженерных расчетов и математического моделирования является одним из факторов, сдерживающих развитие СШП гидролокации. Одной из необходимых составляющих такой методики являются математические модели СШП зондирующих сигналов, эхосигналов, помех.
Как показал ряд исследований моделей обычных (узкополосных) и СШП сигналов и опыт их применения в гидролокации [1 - 6], при выборе и разработке моделей СШП сигналов требуется проверка и оценка степени их адекватности реальным физическим сигналам, в противном случае возникает опасность появления различного рода артефактов.
Поэтому необходима систематизация сведений о существующих математических моделях СШП сигналов, исследование их параметров и степени соответствия физическим свойствам реальных сигналов, разработка новых моделей, ориентированных на применение в инженерных расчетах основных параметров СШП гидролокаторов.
Современные гидролокаторы должны не только удовлетворять заданным метрологическим характеристикам, но и обеспечивать достаточно высокую производительность поиска. Последнее обусловлено тем обстоятельством, что области дна, в пределах которых априори может находиться искомый объект, в большинстве реальных ситуаций превышают по площади величину эквива-лентной площади рассеяния (ЭПР) объекта в 10 - 10 и более раз. Из однопо-зиционных гидроакустических средств наибольшей производительностью обладают гидролокаторы секторного и бокового обзора, наименьшей - средства вертикального зондирования: профилографы обычного типа и параметрические эхолоты-профилографы.
В настоящее время разработаны и выпускаются зарубежными фирмами низкочастотные СШП профилографы обычного типа [7, 8] и параметрические, ряд последних разработан в России [9, 10].
СШП профилографы, предназначенные для контроля морского дна и толщи осадков, позволяют обнаруживать объекты в морских осадках до глубины десятков-сотен метров (в зависимости от акустических свойств осадков) при разрешении по вертикали неоднородностей от единиц до десятков сантиметров. Несмотря на это, такие профилографы практически непригодны для обнаружения локальных объектов из-за низкой разрешающей способности по горизонтальным (угловым) координатам. Это является следствием применения антенн с широкими характеристиками направленности (до десятков градусов) и вертикального режима зондирования.
СШП параметрические гидролокаторы также способны обнаруживать указанные объекты в грунте. Они могут обеспечить высокое разрешение в горизонтальном направлении, однако с их помощью нельзя обеспечить высокую производительность поиска из-за того, что параметрические излучатели имеют очень узкие характеристики направленности (При использовании параметрических эхолотов-профилографов время поиска при указанных выше значениях площади может составлять от единиц до нескольких часов, для ГБО оно может быть на один-два порядка меньше). Последнее свойство является прямым следствием физических принципов параметрического излучения.
Известные алгоритмы решения координатной задачи при наклонном зондировании и расположении искомого объекта в толще воды или на дне оказываются принципиально непригодными для случая, когда объект находится в толще осадков. Можно показать, что при использовании обычного метода бокового обзора и ему подобных методов наклонного зондирования возникает принципиальная неоднозначность решения задачи оценки координат заиленных объектов. В [11] предложен метод однозначного определения координат заиленных объектов с применением параметрических излучателей. Однако для осуществления такого тракта излучения необходимо решить ряд технических проблем создания параметрических излучателей с большой энергией излучения, что может оказаться невозможным при больших заданных глубинах обна-
ружения. Кроме того, техническая реализация приемного тракта такой ГЛС оказывается намного сложнее, чем в ГЛС обычного типа.
Разработка методов измерения координат малоразмерных объектов, находящихся в осадках, с помощью СШП гидролокаторов бокового обзора без применения параметрических антенн в настоящее время не решена в достаточной степени.
Актуальность поставленной проблемы определяется
необходимостью создания и совершенствования современных гидроакустических средств, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их метрологическим характеристикам и производительности при поиске малоразмерных объектов в толще донных осадков;
слабой теоретической и экспериментальной изученностью особенностей применения СШП сигналов в гидролокации;
отсутствием в полном объеме разработанных методов и алгоритмов измерения координат малоразмерных заиленных объектов и инженерной методики расчета основных характеристик ГЛС, осуществляющих их поиск.
Целью работы является исследование проблемы измерения координат заиленных объектов при наклонном гидролокационном зондировании, определение теоретических и технических возможностей и условий ее решения при использовании СШП сигналов, разработка методов и алгоритмов измерения, ориентированных на различные условия поиска и технические особенности построения ГЛС.
Для достижения этого необходимо решить следующие задачи: - на основе анализа задачи поиска малоразмерных объектов, находящихся в толще осадков, найти и обосновать необходимые и достаточные условия для того, чтобы задача измерения координат указанных объектов была разрешима однозначно без применения многоканальных параметрических антенн;
провести выбор и обоснование моделей СШП зондирующих сигналов с целью их использования для инженерных расчетов потенциальных характеристик ГЛС и в математической модели СШП гидроакустического канала;
разработать и обосновать математическую модель СШП гидроакустического канала, на ее основе найти аналитическое выражение для эхосигнала от заиленного объекта, удобное для анализа влияния поглощения в среде на основные характеристики СШП сигнала;
исследовать особенности случайных помех при приеме СШП эхосигна-лов, принципиальные и технические возможности реализации алгоритмов согласованной фильтрации;
синтезировать алгоритмы измерения координат объектов при использовании СШП сигналов для различных режимов наклонного зондирования, провести анализ точностных характеристик исследованных методов измерения координат;
провести исследование разрешающей способности СШП эхосигналов с учетом влияния поглощающей среды с целью определения потенциально возможной максимальной глубины погружения объекта в грунт, при которой возможно обнаружение объекта и измерение его координат;
провести анализ влияния ширины спектра СШП сигналов на диаграмму направленности антенн и, соответственно, на угловое разрешение;
создать пакет прикладных программ, который может быть использован как основа системы цифровой обработки сигналов в приемном тракте СШП ГЛС.
Объект исследования - гидролокационные методы измерения координат локальных акустических рассеивателеи естественного или искусственного происхождения.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием теории лучевой акустики, теории линейных цепей (теории четырехполюсников), теории спектрального анализа сигналов, теории случайных
процессов, теории оптимального обнаружения. Числовые расчеты и компьютерное моделирование выполнены с использованием численных методов прикладной математики и методов имитационного моделирования на языке высокого уровня программирования (язык среды Matlab).
Достоверность научных положений обеспечивается;
- полнотой и корректностью исходных предпосылок, теоретическим
обоснованием, основанным на применении строгого математического аппара
та, применением теоретически обоснованных математических моделей сигна
лов и среды;
- практически полным совпадением теоретических результатов с резуль
татами экспериментальных расчетов, выполненных методом компьютерного
моделирования;
- апробацией и публикациями основных результатов исследований.
Научная новизна
Проведен теоретический анализ возможности использования известных моделей сигналов в качестве моделей сверхширокополосных гидролокационных сигналов с целью использования этих моделей для создания методики инженерного прогнозирования характеристик СШП гидролокаторов.
Построена математическая модель СШП гидроакустического канала, предназначенная для теоретического анализа процессов, инженерных расчетов основных параметров ГЛС в диалоговом режиме и для моделирования, эквивалентного полунатурным экспериментам.
Получены аналитические выражения для основных характеристик СШП зондирующих и эхосигналов от заиленных объектов. Они взаимно согласованы и преобразованы в удобную конструктивную форму. Для приближенных выражений найдены границы их применимости и оценки погрешности приближений.
Разработаны новые алгоритмы измерения координат, не требующие знания угла наклона падения акустических волн, использования нелинейных
свойств среды или специального маневрирования носителя ГЛС. За счет введения дополнительных конструктивно простых антенн они позволяют получать не только оценки координат, инвариантные к неизвестным акустическим параметрам осадков, но и оценки скорости звука в осадках.
Выведены аналитические зависимости для оценок погрешностей измерения разработанных ранее и новых алгоритмов определения координат заиленных объектов.
Проведена оценка потенциального пространственного разрешения эхо-сигналов от заиленных объектов. Выведены аналитические выражения для квадратичного интервала корреляции эхосигнала как функции расстояния, пройденного сигналом в осадках. Найдены предельные соотношения (асимптоты) разрешения по дальности на заданной глубине. Доказано, что при использовании СШП сигналов угловое разрешение оказывается не хуже, чем для обычных сигналов, при большем подавлении уровня боковых лепестков.
Практическая значимость заключается в следующем: - в развитии теоретической базы и инженерной методики расчетов СШП гидролокаторов, в частности:
доказано, что применение СШП зондирующих сигналов для обнаружения объектов в толще донных осадков приводит к относительному уменьшению потерь энергии сигналов в грунте в 10-100 раз, улучшению разрешения в 20-1,5 раза в зависимости от глубины погружения объекта в осадки, центральной частоты и ширины спектра зондирующих сигналов;
разработаны ориентированные на инженерные расчеты математические модели СШП зондирующих и эхосигналов, водной среды, осадков и помех, необходимые для корректного инженерного прогнозирования потенциальных метрологических характеристик ГЛС поиска;
- в синтезе нового метода измерения координат объектов в толще осадков при наклонном зондировании без определения угла падения акустических волн и без использования параметрических излучателей, который более эффективен, чем известные методы, поскольку результаты и точность измерения координат не зависят от скорости звука в осадках. Техническая реализация этого метода значительно проще, чем известного метода с использованием параметрических излучателей.
Основные положения, выносимые на защиту
1.Математические модели сверхширокополосных гидролокационных сигналов и результаты исследования их свойств.
Математическая модель СШП гидроакустического канала и полученные на ее основе математические модели СШП эхосигналов от заиленных объектов с учетом поглощения энергии в осадках.
Реализация алгоритмов согласованной фильтрации при обнаружении СШП эхосигналов от заиленных объектов на фоне гидродинамических шумов и реверберационной помехи для случая наклонного зондирования.
Методы измерения координат, не требующие определения угла наклона падения волн и использования параметрических излучателей или специального маневрирования носителя ГЛС. Аналитические зависимости погрешностей измерения координат для известных и новых алгоритмов.
Методика расчета потенциально достижимых характеристик пространственного разрешения СШП гидролокаторов.
Внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации модели СШП сигналов, среды, помех, алгоритмы измерения координат, методики определения потенциальных характеристик ГЛС использовались в госбюджетной научно-исследовательской работе кафедры ТОР ТТИ ЮФУ в г. Таганроге. Научные и практические результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятиях ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик, НКБ ЦОС ЮФУ, используются
в учебном процессе подготовки студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге.
Апробация работы. Основные научные и практические положения работы представлялись и обсуждались на 4 научно-технических конференциях:
Международной научной конференции «Информационные технологии в современном мире», - Таганрог, ТРТУ, 2006
Международной научной конференции «Цифровые методы и технологии» - Таганрог, ТРТУ, 2005
Седьмой Международной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики», 2004, Санкт-Петербург, Россия.
Международной научной конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике». - Таганрог, ТРТУ, 2003
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 статей и 1 тезис доклада.
Структура диссертационной работы. Диссертация написана на русском языке, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и 5 приложений. Она содержит 208 стр., изложена на 148 стр. машинописного текста, имеет 54 рисунка, 1 таблицу, список литературы из 93 наименований, приложения размещены на 14 стр.
Принципиальные вопросы описания сверхширокополосных сигналов
СШП профилографы, предназначенные для контроля морского дна и толщи осадков, позволяют обнаруживать объекты в морских осадках до глубины десятков-сотен метров (в зависимости от акустических свойств осадков) при разрешении по вертикали неоднородностей от единиц до десятков сантиметров. Несмотря на это, такие профилографы практически непригодны для обнаружения локальных объектов из-за низкой разрешающей способности по горизонтальным (угловым) координатам. Это является следствием применения антенн с широкими характеристиками направленности (до десятков градусов) и вертикального режима зондирования.
СШП параметрические гидролокаторы также способны обнаруживать указанные объекты в грунте. Они могут обеспечить высокое разрешение в горизонтальном направлении, однако с их помощью нельзя обеспечить высокую производительность поиска из-за того, что параметрические излучатели имеют очень узкие характеристики направленности (При использовании параметрических эхолотов-профилографов время поиска при указанных выше значениях площади может составлять от единиц до нескольких часов, для ГБО оно может быть на один-два порядка меньше). Последнее свойство является прямым следствием физических принципов параметрического излучения.
Известные алгоритмы решения координатной задачи при наклонном зондировании и расположении искомого объекта в толще воды или на дне оказываются принципиально непригодными для случая, когда объект находится в толще осадков. Можно показать, что при использовании обычного метода бокового обзора и ему подобных методов наклонного зондирования возникает принципиальная неоднозначность решения задачи оценки координат заиленных объектов. В [11] предложен метод однозначного определения координат заиленных объектов с применением параметрических излучателей. Однако для осуществления такого тракта излучения необходимо решить ряд технических проблем создания параметрических излучателей с большой энергией излучения, что может оказаться невозможным при больших заданных глубинах обнаружения. Кроме того, техническая реализация приемного тракта такой ГЛС оказывается намного сложнее, чем в ГЛС обычного типа.
Разработка методов измерения координат малоразмерных объектов, находящихся в осадках, с помощью СШП гидролокаторов бокового обзора без применения параметрических антенн в настоящее время не решена в достаточной степени. Актуальность поставленной проблемы определяется необходимостью создания и совершенствования современных гидроакустических средств, соответствующих современным требованиям, предъявляемым к их метрологическим характеристикам и производительности при поиске малоразмерных объектов в толще донных осадков; слабой теоретической и экспериментальной изученностью особенностей применения СШП сигналов в гидролокации; отсутствием в полном объеме разработанных методов и алгоритмов измерения координат малоразмерных заиленных объектов и инженерной методики расчета основных характеристик ГЛС, осуществляющих их поиск. Целью работы является исследование проблемы измерения координат заиленных объектов при наклонном гидролокационном зондировании, определение теоретических и технических возможностей и условий ее решения при использовании СШП сигналов, разработка методов и алгоритмов измерения, ориентированных на различные условия поиска и технические особенности построения ГЛС. Для достижения этого необходимо решить следующие задачи: - на основе анализа задачи поиска малоразмерных объектов, находящихся в толще осадков, найти и обосновать необходимые и достаточные условия для того, чтобы задача измерения координат указанных объектов была разрешима однозначно без применения многоканальных параметрических антенн; - провести выбор и обоснование моделей СШП зондирующих сигналов с целью их использования для инженерных расчетов потенциальных характеристик ГЛС и в математической модели СШП гидроакустического канала; - разработать и обосновать математическую модель СШП гидроакустического канала, на ее основе найти аналитическое выражение для эхосигнала от заиленного объекта, удобное для анализа влияния поглощения в среде на основные характеристики СШП сигнала; - исследовать особенности случайных помех при приеме СШП эхосигна-лов, принципиальные и технические возможности реализации алгоритмов согласованной фильтрации; - синтезировать алгоритмы измерения координат объектов при использовании СШП сигналов для различных режимов наклонного зондирования, провести анализ точностных характеристик исследованных методов измерения координат; - провести исследование разрешающей способности СШП эхосигналов с учетом влияния поглощающей среды с целью определения потенциально возможной максимальной глубины погружения объекта в грунт, при которой возможно обнаружение объекта и измерение его координат; - провести анализ влияния ширины спектра СШП сигналов на диаграмму направленности антенн и, соответственно, на угловое разрешение; - создать пакет прикладных программ, который может быть использован как основа системы цифровой обработки сигналов в приемном тракте СШП ГЛС.
Сравнительный анализ моделей сверхширокополосных сигналов
Применение СШП сигналов открывает ряд качественно новых возможностей решения задач радио- и гидролокации, недоступных при использовании обычных сигналов, например, определения формы отражающих объектов, гранулометрического состава донных осадков и т.п.
Начиная с 90-х годов бурно развиваются исследования в области теории СШП сигналов и особенностей их применения в локации и связи [17-25], проводятся международные конференции по СШП сигналам за рубежом [26] и в России [27-29]. Одним из особенно актуальных направлений является применение СШП сигналов для поиска радиолокационных объектов в поглощающих средах или находящихся за оптически непрозрачными препятствиями, реализуемое в подповерхностной радиолокации (в георадарах) [30-36]. С помощью георадаров может быть осуществлен поиск таких объектов, как подземные кабели, металлические и неметалллические трубопроводы, противопехотные и противотанковые мины и т.п.
Ситуации и общие физические закономерности в геолокации и гидролокации имеют много общего: - в обоих случаях источник и приемник зондирующих сигналов находится в одной среде, а искомый объект - в другой; - основным фактором, ограничивающим возможности обнаружения объектов, является поглощение энергии зондирующих сигналов: радиоволн - в почве или во льду, акустических волн - в осадках. - для обоих видов волн поглощение приближенно пропорционально частоте. Поэтому для уменьшения потерь энергии необходимо, по возможности, снижать частоту излучаемых сигналов при сохранении требуемого разрешения по дальности и, соответственно, ширины спектра, т. е. переходить к СШП сигналам. СШП георадары - из-за физических ограничений работают в ближней зоне. Многие задачи поиска, которые решаются георадарами, в ряде случаев, могут быть решены другими средствами, например, металлоискателями, инфракрасными системами и т.д. Но задачи поиска подводных объектов, погруженных в морские осадки, могут быть решены только гидролокационными средствами. Однако в гидролокации физические процессы более разнообразны и сложны, и требуют более широкого спектра исследований и их большего объема.
Исходя из вышесказанного, для поиска таких объектов необходимо применять низкочастотные гидроакустические средства, использующие сверхширокополосные сигналы. Они должны удовлетворять эксплуатационным требованиям как по обеспечению заданных метрологических характеристик, так и по обеспечению достаточно высокой производительности поиска. Последнее обусловлено тем обстоятельством, что размеры площади той области дна, в пределах которой предполагается расположение искомого объекта, в большинстве реальных ситуаций превышают по площади величину эквивалентной площади рассеяния (ЭПР) объекта в 10 - 10 и более раз. Из однопозицион-ных гидроакустических средств наибольшей избирательностью обладают гидролокаторы секторного и бокового обзора, наименьшей - средства вертикального зондирования: профилографы обычного типа и параметрические эхоло-ты-профилографы.
В настоящее время разработаны и выпускаются зарубежными фирмами низкочастотные СШП профилографы обычного типа X-Star модели SB424 -SB0408 фирмы Edge Tech [7], GeoChirp модели 132 - 136 фирмы Geo Acoustics [8] и параметрические эхолоты-профилографы, например, Atlas Parasound [9], разработано несколько поколений отечественных параметрических профило-графов [10]. СШП профилографы, предназначенные для контроля морского дна и толщи осадков, позволяют обнаруживать объекты в морских осадках до глубины десятков-сотен метров (в зависимости от акустических свойств осад 24
ков) при вертикальном разрешении неоднородностеи от единиц до десятков сантиметров. Так, например, профилографы X-Star SB424 обеспечивают вертикальное разрешение порядка 4-8 см при спектре сигналов с/н - 4 кГц,/в = 24 кГц, глубине проникновения в жидкие осадки (ил) порядка к=40м, профило-граф X-Star SB0408 обеспечивает - вертикальное разрешение 20 см при сигнале cfH =2 кГц, fe = 8кГц, глубине проникновения в илы до Ъ=40м; вертикальное разрешение 80 см при сигнале с/, = 400Гц,/в = 2,4кГц, глубине проникновения в илы до И=300м. Антенны этих эхолотов имеют значения ширины диаграммы направленности порядка 15-20. Такие профилографы практически непригодны для обнаружения локальных объектов из-за низкой разрешающей способности по горизонтальным (угловым) координатам.
СШП параметрические гидролокаторы также способны обнаруживать указанные объекты в грунте. Однако с их помощью нельзя обеспечить высокую производительность поиска из-за того, что параметрические излучатели имеют очень узкие характеристики направленности, вследствие чего время поиска при использовании параметрических эхолотов-профилографов и при указанных выше значениях площади может составлять от единиц до нескольких часов. Последнее свойство является прямым следствием физических принципов параметрического излучения. Искусственное расширение характеристик таких излучателей сводит на нет их преимущества перед обычными.
Проблема согласованной фильтрации СШП эхосигналов от объектов, погруженных в осадки
Проведем сравнительный анализ свойств рассмотренных в данной работе моделей СШП сигналов. Исходя из основной задачи измерения координат малоразмерного объекта основными их характеристиками будем считать выполнение условий распространения (2.6) и физической реализуемости (2.7), а также разрешающую способность. Эти данные для удобства представлены в виде таблицы 2.1.
В таблице приведены результаты исследований выполнения постулата Ре-лея (2.6а) и критерия Пэли-Винера для рассматриваемых моделей. Как видно, из всех моделей только две - радиоимпульс с прямоугольной огибающей и простой экспоненциальный радиоимпульс полностью отвечают требованиям, предъявляемым к локационным сигналам. Они описываются всего двумя параметрами, но при аналитических расчетах, таких как, например, расчет энергетической ширины спектра или разрешения эхосигналов для этих моделей сталкиваются с большими математическими трудностями в отличие от модели с прямоугольным спектром или модифицированного гауссова радиоимпульса.
Модель с прямоугольным спектром может служить как асимптотическое приближение физически реализуемых сложных радиосигналов с внутриимпульс-ной модуляцией, например, с ЛЧМ, при больших индексах модуляции.
Для оценки разрешающей способности моделей сигналов в табл. 2.1 приведены аналитические выражения для квадратичного интервала корреляции тК Для большинства моделей полученные формулы совпадают и для узкополосного, и для СШП случаев, за исключением гауссовых сигналов и радиоимпульсов с экспоненциальной огибающей. Для узкополосных моделей в явном виде получены соотношения неопределенности - произведения тК Afj, которые выполняются и для СШП моделей, как показывают расчеты. Как следует из рассмотрения табл. 2.1, при одной и той же энергетической ширине спектра для всех моделей наилучшим разрешением обладает радиоимпульс с экспоненциальной огибающей, наихудшим - радиоимпульс с прямоугольным спектром. Особое место среди этих моделей занимает сигнал в виде производной от гауссова импульса. В силу компактности его описания (зависит только от одного параметра а), хорошего совпадения с описанием физических процессов при излучении антенной и возможности получения интегральных преобразований в замкнутом виде эта модель является особенно перспективной для инженерных расчетов в гидролокации.
Результаты исследований полезны при выборе формы и параметров излучаемого сигнала на этапе проектирования радио- и гидролокационных станций.
В данном разделе проведено исследование моделей сигналов с точки зрения возможности использования их для описания сверхширокополосных локационных сигналов. Были проанализированы следующие модели сигналов радиоимпульс с прямоугольным спектром, радиоимпульс с прямоугольной огибающей, радиоимпульс с экспоненциальной огибающей, модифицированный гауссов радиоимпульс, моноцикл Гаусса. Для них было доказано выполнение условия распространения (первый постулат Релея) и проверено выполнение условия физической реализуемости (критерий Пэли-Винера). Из всех моделей только две - радиоимпульс с прямоугольной огибающей и радиоимпульс с экспоненциальной огибающей полностью отвечают требованиям, предъявляемым к локационным сигналам. Гауссовы модели - модифицированный гауссов радиоимпульс и моноцикл Гаусса -не удовлетворяют критерию Пэли-Винера, но отличаются от него малой погрешностью при увеличении времени t, причем из всех моделей сигналов гауссовы модели имеют наибольшую потенциально возможную скорость спадания при t -»оо. Модель с прямоугольным спектром может служить как асимптоти 64 ческое приближение физически реализуемых сложных радиосигналов с фазовой модуляцией, например, ЛЧМ сигналы при больших индексах модуляции. 2. С целью оценки разрешающей способности для данных моделей были выведены аналитические выражения для корреляционной функции в общем случае без узкополосных упрощений (впервые для радиоимпульсов с экспоненциальной огибающей, модифицированного гауссова радиоимпульса и для модели в виде производной от гауссова радиоимпульса), энергетической ширины спектра (впервые для радиоимпульсов с экспоненциальной огибающей и для модели в виде производной от гауссова радиоимпульса) и квадратичного интервала корреляции (впервые для радиоимпульсов с экспоненциальной огибающей, и для модели в виде производной от гауссова радиоимпульса). На основании полученных расчетов были получены соотношения неопределенности - значения произведения тк А/э для каждой модели. Анализ этих соотношений показал, что при одной и той же энергетической ширине спектра для всех моделей наилучшим разрешением обладает радиоимпульс с экспоненциальной огибающей, наихудшим - радиоимпульс с прямоугольным спектром. 3. Показано, что при учете всех факторов - соответствия физическим процессам излучения, компактности описания (минимальное число параметров описания), возможности получения результатов преобразований модели в замкнутой аналитической форме, минимальному уровню боковых лепестков при оптимальной обработке, величине интервала корреляции - одной из перспективных моделей является модель в виде производной от гауссова видеоимпульса.
Влияние ширины спектра СШП сигналов на разрешение по угловым координатам
Применить спектроскопию КРС к исследованию процессов упорядочения структурных единиц, дефектов, фоторефрактивных и сегнетоэлектрических свойств монокристаллов ниобата лития разного состава. Исследовать спектры КРС монокристаллов с разным отношением Li/Nb, легированных малыми количествами нефоторефрактивных катионов Mg2+, Gd3+, Y3+. По спектрам КРС первого и второго порядков выяснить, как с изменением стехиометрии, степени легирования, типа и количества дефектов, а также способа выращивания монокристалла будет изменяться структура монокристалла и величина фоторефрактивного эффекта.
Для решения поставленных задач в качестве объектов исследования были выбраны следующие группы монокристаллов: 1. Номинально чистые монокристаллы стехиометрического (Li/Nb=l) состава, выращенные из расплава с 58.6 мол.% ІЛгО и монокристаллы стехиометрического состава, выращенные из расплава стехиометрического состава в присутствии флюса КгО; 2. Монокристаллы конгруэнтного состава (Li/Nb=0.946); 3. Легированный Gd3+ (CGd=0.001 мас.%) монокристалл стехиометрического состава, выращенный из расплава с 58.6 мол.% ІЛгО. 4. Монокристаллы конгруэнтного состава, легированные Gd3+ (CGd=0.002, 0.003, 0.005, 0.44 мас.%.), У3+и Mg2+ (CY=0.24, 0.46, CMg=0.63 мас.%). Впервые методом спектроскопии КРС по единой методике выполнены сравнительные исследования номинально чистых и легированных монокристаллов ниобата лития, выращенных методом Чохральского из расплава конгруэнтного состава, из расплава с 58.6 мол.% ІЛгО, из расплава стехиометрического состава в присутствии флюса КгО. Впервые по спектрам КРС изучены закономерности формирования оптического качества монокристалла ниобата лития в зависимости от упорядочения структурных единиц катионной подрешетки, от дефектов структуры, от степени близости состава к стехиометрическому, от наличия легирующих добавок и способа выращивания. В частности, впервые показано, что монокристаллы, выращенные в присутствии КгО, характеризуются повышенной концентрацией дефектов, но в тоже время отличаются пониженным фоторефрактивным эффектом. По спектрам КРС подтверждено, что при малых концентрациях легирующих нефоторефрактивных добавок (до 0.5 мас.%) на величину фоторефрактивного эффекта в кристаллах ниобата лития конгруэнтного состава влияет упорядочение структурных единиц катионной подрешетки. При этом в области максимального упорядочения структурных единиц катионной подрешетки фоторефрактивный эффект минимален. Впервые обнаружено, что в спектрах КРС кристаллов ниобата лития разного состава присутствуют малоинтенсивные линии, ширины которых аномально уменьшаются с увеличением разупорядочения катионной подрешетки в целом. Это свидетельствует о наличии аномальных процессов упорядочения структурных единиц катионной подрешетки, происходящих при ее разупорядочении в целом. Впервые спектроскопия КРС применена для исследования дипольного упорядочения катионной подрешетки монокристалла ниобата лития. Практическая значимость работы. Полученные в диссертации экспериментальные данные и сделанные на их основе выводы углубляют и конкретизируют имеющиеся в литературе представления о фоторефрактивном эффекте, дефектах и процессах упорядочения структурных единиц в монокристалле ниобата лития. Эти результаты могут быть использованы в промышленности при выращивании монокристаллов высокой степени структурного совершенства, обладающих пониженным фоторефрактивным эффектом. Исследованиями, выполненными в данной работе, показано, что, сохраняя технологические преимущества выращивания легированных монокристаллов ниобата лития из расплава конгруэнтного состава, можно приблизить их по степени упорядочения катионной подрешетки к монокристаллам стехиометрического состава, выращивание которых в промышленных масштабах в настоящее время затруднено. Экспериментальный критерий соответствия кристалла ниобата лития стехиометрическому составу по интенсивности линии с частотой 120 см"1, соответствующей двухчастичным состояниям акустических фононов, может быть применен в промышленности для оценки качества монокристаллов. Личное участие автора Основные материалы диссертационной работы, спектры КРС, их обработка и интерпретация получены самим автором, либо при его непосредственном участии. Автором сформулированы некоторые общие направления исследований и отработаны методики исследований спектров монокристаллов в поляризованном излучении. Анализ результатов, их обобщение и интерпретация выполнены в соавторстве. Монокристаллы для исследований предоставлены ростовыми лабораториями. Достоверность результатов обеспечивалась применением современных автоматизированных высокочувствительных спектрометров КРС, многократно апробированных методик компьютерной обработки экспериментальных данных, соответствием данных наших экспериментов с данными других авторов. Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты экспериментальных исследований по спектрам КРС структурного упорядочения и фоторефрактивного эффекта в номинально чистых монокристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного составов в зависимости от способа выращивания монокристаллов. 2. Результаты экспериментальных исследований по спектрам КРС структурного упорядочения и фоторефрактивного эффекта в легированных монокристаллах ниобата лития стехиометрического и конгруэнтного составов. 3. Экспериментальное обнаружение и интерпретация тонких процессов упорядочения структурных единиц катионной подрешетки ниобата лития при изменении состава монокристалла. 4. Анализ изменений по спектрам КРС качества монокристалла ниобата лития как сегнетоэлектрика в зависимости от состава и дефектов.
