Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка задачи исследования 13
2. Модели сверхширокополосных зондирующих сигналов 25
2.1. Принципиальные вопросы описания сверхширокополосных сигналов 25
2.2. Модели простых зондирующих сигналов 30
2.3. Модели сложных зондирующих сигналов 37
2.4. Сравнительный анализ моделей сверхширокополосных сигналов 56
2.5. Выводы 59
3. Преобразования сверхширокополосных сигналов в средах с поглощением 61
3.1. Модели сверхширокополосных эхосигналов 61
3.2. Преобразование простых сверхширокополосных сигналов в воде 70
3.3. Преобразование сложных сверхширокополосных сигналов в средах с поглощением 87
3.4. Выводы 102
4. Анализ и разработка алгоритмов согласованной фильтрации сверхширокополосных эхосигналов 104
4.1. Основные алгоритмы согласованной фильтрации 104
4.2. Анализ алгоритмов согласованной фильтрации с учетом поглощения в среде распространения 110
4.3. Фильтрация простых сверхширокополосных сигналов 119
4.4. Влияние параметров сигнала и параметров среды на отношение сигнал/помеха 131
4.5. Фильтрация сверхширокополосных сложных сигналов 136
4.6. Выводы 140
5. Характеристики обнаружения локационных объектов с учетом поглощения в среде распространеня 143
5.1. Характеристики обнаружения для однократного зондирования 143
5.2. Характеристики обнаружения для однократного зондирования с учетом поглощения в среде 147
5.3. Характеристики обнаружения с принятием решения по критерию «КизМ» 159
5.4. Характеристики обнаружения с принятием решения по критерию «К из М» с учетом поглощения в среде 164
5.5. Характеристики обнаружения для сложных сверхширокополосных сигналов 168
5.6. Методические рекомендации по расчету основных параметров сверхширокополосных гидролокационных станций, -использующих сложные сигналы 171
5.7. Выводы 181
Заключение 183
Список используемой литературы
- Модели простых зондирующих сигналов
- Преобразование сложных сверхширокополосных сигналов в средах с поглощением
- Влияние параметров сигнала и параметров среды на отношение сигнал/помеха
- Характеристики обнаружения для однократного зондирования с учетом поглощения в среде
Введение к работе
Актуальность темы. Прогресс в радио- и гидролокации нельзя представить без активного развития нового направления - сверхширокополосной локации.
Применение сверхширокополосных (СШП) сигналов открывает новые пути решения задач локации, которые в рамках традиционных методов и технических средств неразрешимы, или, если разрешимы, то ценой неприемлемо больших затрат. В первую очередь это относится к проблеме поиска объектов в средах с поглощением (под поверхностью земли, в слое льда, в толще морских осадков). Поиск таких объектов как подземные кабели, остатки фундаментов зданий, археологические ценности, металлические и неметаллические трубопроводы, мины и.т.п. с поверхности земли производится средствами геолокации [11, 20, 23, 31, 65]. Средствами гидролокации осуществляется обнаружение объектов, находящихся на поверхности дна или погруженных в толщу осадков («заиленных»): бортовые самописцы («черные ящики») потерпевших аварию самолетов или вертолетов, составные части оборудования космических аппаратов, контейнеры с химическими и радиоактивными веществами, утерянные ценные малогабаритные грузы и т.п. В рамках борьбы с мировым терроризмом за последнее время возросла роль поиска намеренно зарытых в донные осадки подрывных устройств, предназначенных для нанесения ударов по выносным нефтяным и газовым терминалам, трубопроводам, морским буровым платформам и т.п. Общим для эхолокации и гидролокации заиленных объектов является то, что источник и приемник зондирующих сигналов находится в одной среде, а искомый объект - в другой. Возможность обнаружения перечисленных выше объектов ограничена сильным поглощением энергии зондирующих сигналов. Особенно сильно этот эффект проявляется в гидролокации, поскольку поглощение энергии акустических волн в среде растет с увеличением частоты. Поэтому для уменьшения энергетических потерь при обнаружении гидролокационных
5 объектов необходимо использовать возможно более низкочастотные сигналы при сохранении достаточной разрешающей способности по дальности и угловым координатам. Такие сигналы близки или идентичны СШП сигналам [5,7,10,13,16,53,79].
Переход к СШП сигналам требует пересмотра существующих методов и алгоритмов обнаружения эхосигналов от объектов в средах с сильным поглощением, разработки новых алгоритмов и создания: методики расчета основных параметров СШП средств. Существующий аппарат для расчета параметров локационных станций (ЛС) принципиально не может быть достаточным для СШП локаторов, поскольку он во многом опирается на упрощения, основанные на предположении об узкополосности излучаемых сигналов. При СШП сигналах такие упрощения невозможны. Для создания методики расчета параметров СШП ЛС необходимо провести анализ возможности применения традиционных простых и сложных сигналов для описания СШП сигналов, а также разработать новые модели.
В работах [52 - 58, 78] в качестве моделей СШП сигналов рассмотрены простые сигналы и исследованы их свойства. В условиях сильного поглощения акустической энергии в осадках для получения достаточно большого отношения сигнал/помеха требуется применять простые СШП сигналы с такими амплитудами, которые превышают порог кавитации. В этом случае становится необходимым применение сложных СШП сигналов, для которых требуемый уровень энергии может быть достигнут за счет увеличения длительности при сохранении достаточного разрешения.
Наиболее широко применяются сложные сигналы с частотной модуляцией, например, с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) [10, 13, 61] и фа-зоманипулированные сигналы, например, шумоподобные сигналы, манипу-лированные по фазе в виде псевдослучайной М-последовательности [1, 9, 15, 21, 37, 38]. Однако, методики, позволяющей рассчитать потенциальные параметры гидролокационных станций (ГЛС), использующих СШП сложные сигналы, нет. Нет также и публикаций, посвященных исследованию свойств
сложных СШП сигналов и особенностям их преобразования при распространении в среде с поглощением и при отражении от объектов локации. Для создания таких методик и проведения исследований необходимо иметь корректные математические модели сложных СШП сигналов. Поэтому целесообразно провести анализ традиционных сложных сигналов как моделей СШП сложных сигналов с целью использования их для решения задач обнаружения гидролокационных объектов, не только погруженных в толщу осадков, но и расположенных на значительном расстоянии в воде.
Основной особенностью СШП сигналов является то, что при их распространении в среде с частотно-зависимым поглощением изменяется не только энергия, но и форма сигналов. Поэтому для обеспечения согласованной фильтрации принимаемых сигналов необходимо применять перестраиваемый фильтр. Перестройку этого фильтра необходимо осуществлять в соответствии с изменением формы эхосигнала [10, 96]. Для этого требуется априорное знание расстояния до объекта и параметров среды. Ни то, ни другое, как правило, не известно. Поэтому может оказаться более предпочтительным применение квазиоптимальных алгоритмов фильтрации. В этом случае следует оценить потери помехоустойчивости с учетом частотно-зависимого поглощения в среде распространения, а также сложность технической реализации таких фильтров.
Эти исследования дают основу для разработки рекомендаций по расчету основных потенциально достижимых характеристик гидролокационных станций, использующих сложные СШП сигналы.
Актуальность поставленной проблемы определяется следующими аспектами:
применение сложных СШП сигналов позволяет значительно улучшить помехоустойчивость обнаружения объектов, находящихся в средах с поглощением;
вопросы, связанные с преобразованием сложных СШП эхосигналов в средах с поглощением и их последующей фильтрацией, слабо изучены;
- отсутствуют методики, позволяющие рассчитать основные параметры
гидролокаторов, использующих сложные СШП сигналы.
Целью работы является анализ помехоустойчивости, разработка основных алгоритмов обнаружения сверхширокополосных эхосигналов, отраженных от локационных объектов, находящихся в средах с частотно-зависимым поглощением энергии и разработка методических рекомендаций по расчету потенциально достижимых параметров СШП ГЛС.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:
провести теоретический анализ применения сложных СШП сигналов для решения задач обнаружения гидролокационных объектов, находящихся в воде или погруженных в донные осадки;
провести анализ влияния поглощения в грунте на основные характеристики сложных СШП эхосигналов, отраженных от объектов, погруженных в донные осадки;
провести анализ влияния поглощения в воде на основные характеристики как простых, так и сложных СШП эхосигналов, отраженных от детерминированных объектов, находящихся в воде на значительном расстоянии от ГЛС;
разработать основные алгоритмы фильтрации простых и сложных СШП эхосигналов на фоне шумовых помех и оценить их помехоустойчивость при этих алгоритмах с учетом поглощения в среде распространения;
разработать методические рекомендации по оценке потенциально достижимых характеристик СШП ГЛС, использующих сложные сигналы.
Объект исследования:
модели сложных СШП сигналов применительно к гидролокационным задачам обнаружения объектов в воде, на дне и толще осадков;
алгоритмы фильтрации СШП сигналов.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием методов теории сигналов, теории случайных процессов, теории
8 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 и обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается полнотой и корректностью исходных предпосылок, теоретическим обоснованием, основанным на применении строгого математического аппарата, применением теоретически обоснованных математических моделей сигналов и среды, совпадением теоретических результатов с экспериментальными, выполненными методом компьютерного моделирования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Проведен теоретический анализ возможности использования моделей обычных сложных сигналов в качестве моделей сверхширокополосных гидролокационных сигналов при определении потенциально достижимых параметров ГЛС.
Получено аналитическое выражение для спектральной плотности СШП сложного ЛЧМ сигнала, которое справедливо для описания спектральной плотности как СШП, так и узкополосных сигналов.
Предложена методика расчета основных характеристик сложных СШП зондирующих и эхосигналов с помощью аппроксимации их в спектральной области простыми сигналами. Исследованы погрешности такой аппроксимации.
Выведены аналитические выражения для основных характеристик СШП эхосигналов от объектов, находящихся в водной среде.
Разработаны квазиоптимальные алгоритмы фильтрации СШП простых и сложных эхосигналов, ориентированные на максимальное расстояние до объекта в воде и грунте. Получены аналитические выражения для известных и нового алгоритма фильтрации, позволяющие оценить отношение сигнал/помеха для оптимального и квазиоптимальных фильтров на фоне шумо-
вых помех.
6. Разработана методика расчета характеристик обнаружения простых и сложных СШП эхосигналов от объектов с учетом поглощения в среде распространения при наличии шумовых помех.
Практическая значимость заключается в развитии средства прогнозирования главных характеристик СШП гидролокаторов при проектировании -инженерной методики. С её помощью получены, в частности, следующие результаты:
Показано, что относительные потери энергии СШП сигналов из-за поглощения в среде (в воде или грунте) оказываются в общем случае меньше относительных потерь энергии узкополосных сигналов с той же, что у СШП сигналов, центральной частотой со0. Так, например, при больших расстояниях в воде (Н>20км) или на большой глубине в грунте (Н>5м) это поглощение СШП сигналов может быть меньше поглощения узкополосных на величину порядка бОдБ.
По этой причине энергетические и метрологические характеристики СШП сигналов меньше зависят от поглощения в среде, чем узкополосных сигналов с той же щ. Так, например, при сопоставимых условиях изменение коэффициента поглощения в грунте в 2,5 раза может привести к поглощению энергии узкополосного сигнала на бОдБ, а СШП сигнала с той же ^только на 20дБ.
Показано, что уровень боковых лепестков огибающей корреляционной функции СШП эхосигналов уменьшается при увеличении расстояния до объекта. Вследствие этого улучшается возможность различения слабых искомых целей на фоне сильных ложных.
Предложенные квазиоптимальные алгоритмы фильтрации позволяют заменить сложный в реализации оптимальный перестраиваемый фильтр сравнительно простыми фильтрами с постоянными параметрами. При этом потери в помехоустойчивости не превышают 1 ОдБ.
Предложенная методика расчета преобразований сложных СШП сиг-
10 налов в поглощающих средах с помощью аппроксимации их в спектральной области простыми сигналами позволяет определить основные характеристики для ЛЧМ эхосигналов по формулам, полученным для радиоимпульса с прямоугольным спектром с погрешностью не более 0,5%, а для фазоманипу-лированных сигналов - по выражениям, полученным для радиоимпульса с прямоугольной огибающей с погрешностью не превышающей 0,05%.
6. Разработаны методические рекомендации по расчету потенциально достижимых параметров СШП ГЛС, использующих сложные сигналы. Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования свойств моделей сложных СШП сигналов.
Результаты исследований влияния среды с поглощением (вода, грунт) на основные характеристики (энергию, энергетическую ширину спектра, корреляционную функцию, разрешающую способность по дальности) СШП эхосигналов.
Алгоритмы согласованной фильтрации СШП простых и сложных эхосигналов. Аналитические выражения для ОСП на выходе согласованных фильтров при оптимальном и квазиоптимальных алгоритмах фильтрации. Рекомендации по выбору типа согласованного фильтра.
Методика и результаты расчетов характеристик обнаружения СШП простых и сложных сигналов от объектов с учетом поглощения в среде распространения при наличии помех.
Методические рекомендации по расчету основных параметров СШП ГЛС с применением сложных сигналов.
Научные результаты и практические рекомендации реализованы в госбюджетной научно-исследовательской работе кафедры ТОР ТТИ ЮФУ в г. Таганроге и используются в учебном процессе подготовки студентов в Технологическом институте Южного федерального университета в г. Таганроге по дисциплинам «Радиотехнические цепи и сигналы» и «Компьютерный синтез и обработка сигналов».
Апробация, публикация результатов работы. Основные научные ре-
зультаты опубликованы и прошли апробацию в 20 статьях, в том числе 2 тезисах и докладах на научно-технических конференциях:
Международной научной, конференции «Системный подход в науках о природе, человеке и технике». - Таганрог, ТРТУ, 2003
Международной XI научно-технической конференции «радиолокация, навигация и связь», г. Воронеж, 2005г.;
Одиннадцатой Международной научно-технической конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2005г.;
Международной молодежной научно-технической конференция студентов, аспирантов и ученых «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2006», г. Севастополь, 2006г.;
Восьмой Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления », г. Таганрог, 2006г.;
- Международной научной конференции «Информационные техно
логии в современном мире», - Таганрог, ТРТУ, 2006.
Структура и основное содержание работы. Результаты исследований изложены во введении, пяти главах работы и заключении.
Во введении проведено обоснование актуальности решаемых в диссертационной работе задач, сформулированы цель и научная задача исследования, дан краткий обзор содержания работы, перечислены новые научные результаты, показана практическая значимость.
Первый раздел диссертации посвящен анализу современного состояния СШП локации. На основе этого анализа выбрано направление исследования и сформулированы цель и задачи работы.
Во втором разделе рассмотрен общий подход к построению моделей СШП сигналов. Сформулированы требования к моделям сложных СШП сигналов. Проведен анализ основных свойств моделей сложных СШП фазома-нипулированных сигналов кодом Баркера и псевдослучайной М-
12 последовательностью, а так же СШП сигналов с линейной частотной модуляцией.
В третьем разделе проведено исследование влияния поглощения в среде (вода и грунт) на основные характеристики (энергию, энергетическую ширину спектра, корреляционную функцию и разрешающую способность по дальности) СШП эхосигналов. Для простых эхосигналов в виде радиоимпульса с прямоугольным спектром и моноцикла Гаусса были выведены аналитические выражения для энергии, энергетической ширины спектра, квадратичного интервала корреляции с учетом затухания в воде.
Для сложных сигналов исследования влияния поглощения в водной среде распространения и грунте на основные характеристики проведено методом численного моделирования.
В четвертом разделе рассмотрены три вида шумовых помех: внутренние шумы аппаратуры, шумы водной среды и гидродинамические помехи, проведен анализ существующих оптимального и квазиоптимального алгоритмов фильтрации и предложен новый алгоритм квазиоптимальной фильтрации, ориентированный на максимальное расстояние до объекта в воде и грунте. Выведены аналитические выражения для расчета отношения сигнал/помеха с учетом поглощения в среде распространения при наличии разных типов помех. Проведена сравнительная оценка помехоустойчивости оптимального и квазиоптимальных алгоритмов фильтрации. Разработаны рекомендации по выбору типа согласованного фильтра.
В пятом разделе предложена методика расчета характеристик обнаружения локационных объектов в среде с поглощением при наличии шумовых помех при однократном зондировании и при многократном зондировании с принятием решения по критерию «К из М». Проведен расчет характеристик обнаружения с учетом влияния поглощения в среде для простых и сложных СШП сигналов. Разработаны методические рекомендации по расчету параметром СШП сложных сигналов, которые можно использовать при расчете основных характеристик СШП ГЛС, использующих сложные сигналы.
Модели простых зондирующих сигналов
В работах [52, 54, 55, 58, 78, 93, 94] было проведено исследование возможности описания СШП сигналов традиционными моделями, а также разработаны усовершенствованные модели, поскольку не все из традиционных сигналов при расширении спектра удовлетворяют критерию Релея: так, например, гауссов радиоимпульс при коэффициентах широкополосности v 0,5 не удовлетворяет условию (2.1).
В качестве СШП моделей гидроакустических сигналов в перечисленных выше работах было предложено использовать следующие сигналы: ра 28 диоимпульс с прямоугольной огибающей, радиоимпульс с прямоугольным спектром, модифицированный гауссов радиоимпульс и моноцикл Гаусса. Эти сигналы относятся к классу простых сигналов, для которых минимальное значение произведения длительности сигнала на его ширину спектра B = tc-Af (база сигнала) приблизительно равно единице [91].
Для этих моделей был проведен анализ выполнения постулатов Релея и критерия Пэли-Винера. Были выведены выражения для основных характеристик: энергии, энергетической ширины спектра, интервала корреляции и определена потенциальная разрешающая способность по дальности. Результаты, полученные в вышеперечисленных работах, приведены ниже и использованы при исследованиях помехоустойчивости алгоритмов обнаружения этих сигналов и для расчета характеристик обнаружения.
Проведенные исследования в работах [76, 82] показали, что при распространении простых сигналов в среде с частотным поглощением изменяется их форма, спектр сужается и смещается в область низких частот. Это приводит к уменьшению энергии эхосигнала и отношения сигнал/помеха (ОСП) на выходе согласованного фильтра на больших дистанциях в воде и в грунте. В результате этого для обеспечения высокой вероятности обнаружения объектов нужны значительно большие ОСП, чем в средах без потерь. Повысить ОСП можно увеличением энергии (2.7) сигнала.
Повышения энергии сигнала можно добиться увеличением амплитуды зондирующего сигнала, его длительности и энергетической ширины спектра.
Повышение энергии за счет увеличения амплитуды излучаемого сигнала ограничено порогом кавитации [68].
Увеличение длительности простого сигнала приводит к уменьшению энергетической ширины спектра и как следствие этого, уменьшается разрешающая способность по дальности [96]. Увеличение энергетической ширины спектра Л/э ограничено условием выбора центральной частоты /0 (1.7). Поэтому для обеспечения хорошего разрешения по дальности малоразмерных объектов в соответствии с условием (1.4) необходимо выбирать более высо кую центральную частоту f0. Повышение центральной частоты приводит к увеличению потерь энергии при распространении сигналов в средах с поглощением. В связи с этим необходимо переходить к сложным сигналам. К сложным сигналам относятся сигналы, база которых В = Т-Л/»1, (2.12) где Г-длительность сигнала.
До настоящего времени вопросы, связанные с исследованием сложных СШП сигналов, не рассматривались в доступных публикациях. Поэтому необходимо исследовать применимость традиционных моделей сложных сигналов с частотной модуляцией и с фазовой манипуляцией для описания СШП сложных сигналов.
В качестве моделей сложных СШП сигналов в данной работе выбраны: сигнал с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) и сигналы, манипулирован-ные по фазе кодом Баркера или М-последовательностью. Выбор этих сигналов не случаен. Они описываются и в спектральной, и во временной области достаточно сложными выражениями, приводящими к громоздким вычислениям при теоретическом анализе их преобразований. В то же время модуль спектральной плотности этих сигналов, в большинстве случаев, можно аппроксимировать более простыми функциями, совпадающими в пределах заданной погрешности со спектральной плотностью простых сигналов. Так, модуль спектра ЛЧМ сигнала можно аппроксимировать прямоугольным спектром, а модуль спектра сигналов, манипулированных по фазе кодом Баркера или М-последовательностью - спектром радиоимпульса с прямоугольной огибающей, как показано в п. 2.3. Поэтому можно считать совпадающими (в пределах той же погрешности) и результаты согласованной фильтрации сложных сигналов с результатами согласованной фильтрации аппроксимирующих их простых сигналов, поскольку сложные сигналы после сжатия на выходе согласованного фильтра совпадают с корреляционными функциями аппроксимирующих их простых сигналов.
Таким образом, основные характеристики СШП сложных сигналов можно описать с помощью характеристик аппроксимирующих их простых сигналов. Поэтому в разделе 2.2 приведены основные характеристики аппроксимирующих их простых сигналов и определена их применимость для решения сформулированных задач.
Преобразование сложных сверхширокополосных сигналов в средах с поглощением
Для реализации алгоритмов фильтрации сложных СШП эхосигналов от объектов, находящихся в среде с поглощением, необходимо знание основных свойств этих сигналов на входе приемного тракта, поскольку частотно-зависимое поглощение в среде распространения вызывает изменения спектральной плотности и формы сигнала. Такие изменения приводят к потерям энергии, уменьшению ширины спектра и ухудшению разрешающей способ ности с увеличением расстояния. Поэтому необходимо оценить изменения основных характеристик СШП сложных сигналов и сравнить их результатами, полученными для СШП простых сигналов.
В данном разделе проведен анализ влияния поглощения в среде на свойства рассматриваемых моделей сложных СШП сигналов, отраженных от объектов, расположенных или в воде, или в грунте.
Рассмотрим модели ЛЧМ эхосигналов.
Подставив в (3.3) выражение S30lid(ja ) (2.44) и частотную характеристику среды Кзат@со) (3.7) определим спектральную плотность узкополосного ЛЧМ эхосигнала в виде:
Выражение (3.50) является универсальным и описывает спектральную плотность как СШП, так и узкополосных ЛЧМ эхосигналов. В соответствии с этим выражением были рассчитаны спектры узкополосного и СШП ЛЧМ эхосигналов. Результаты расчетов приведены ниже на рис. 3.19.
На рис. 3.19,а представлены спектры узкополосного ЛЧМ эхосигнала с центральной частотой/0=10кГі{, девиацией частоты/д=1кГц, индексом модуляции т=200, а на рис. 3.19,6 - для СШП ЛЧМ эхосигнала при тех же пара метрах fo,m и/д=12кГц на разных дистанциях Н. Расчеты проведены для воды с параметрами: температура t=23C и соленость S=30%o х 10"
Анализ результатов, представленных на рис. 3.19, показал, что для СШП сигналов происходит неравномерное подавление спектральных составляющих, высокочастотные составляющие подавляются в большей степени, а низкочастотные - в меньшей степени. Следствием этого является сужение спектра сигнала. Для узкополосных ЛЧМ сигналов имеют место закономерности, описанные в п.3.1.
Изменение спектра ЛЧМ сигнала приводит к изменению формы сигнала.
Для определения формы сигнала использовался численный метод, которые заключается в том, что спектр эхосигнала (3.50) дискретизируется с шагом по частоте ЛО = и с помощью обратного дискретного преобразо вания Фурье (ОБПФ) на основе БПФ (быстрого преобразования Фурье) вы числяется форма эхосигнала. Программа определения формы эхосигнала и его исследования приведены в приложении 4.
На рис. 3.20 приведены вид зондирующего (рис. 3.20,а) и эхо- сигналов (рис.3.20,6) с/о=10кГц,/д=10кГц, т=100, прошедших расстояние Н=10клі в воде, полученные с помощью этой программы. Можно видеть, что огибающая СШП ЛЧМ эхосигнала, в отличие от огибающей зондирующего сигнала значительно отличается от прямоугольной формы. Из графиков, представленных на рис. 3.21, видно, что при малых Н форма эхосигнала незначительно отличается от формы зондирующего сигнала. Это объясняется тем, что спектральные составляющие на малых дистанциях до 200м подавляются незначительно.
В том случае, когда сигнал распространяется в грунте, коэффициент передачи KMm(jco,R) представляет собой произведение коэффициентов передачи водной среды и донных осадков, т.е.
В случае, когда глубина дна не превышает 200м, поглощением энергии в воде, как было показано в п.3.1, можно пренебречь, поэтому учитывается поглощение энергии сигнала только в грунте, т.е. K3am(jco,R) = K3am(ja ,h). Модуль спектральной плотности узкополосного ЛЧМ эхосигнала от объекта в грунте в соответствии с (3.3) определяется выражением: ЇЗДИ - (CM + CMY+fauJ + Sfajf , (3.51) а для СШП сигнала - выражением: эОф- е- А У + Щсо)2, (3.52) 2ы2т
При распространении ЛЧМ сигнала в грунте имеют место те же закономерности, что и в воде, т.е. для СШП сигналов происходит неравномерное подавление спектральных составляющих, спектр сигнала сужается, изменяется форма огибающей. Для узкополосных сигналов имеют место закономерности, описанные в 3.1
В п.2.3 было установлено, что модуль спектра зондирующего ЛЧМ сигнала при больших индексах модуляции т 100 можно аппроксимировать прямоугольным спектром с погрешностью, не превышающей 3%. Аналогично, модуль спектра ЛЧМ эхосигнала можно аппроксимировать модулем спектральной плотности простого эхосигнала, соответствующего излучаемому радиоимпульсу с прямоугольным спектром.
Для сравнения были рассчитаны спектральная плотность ЛЧМ эхосигнала и спектральная плотность аппроксимирующего его простого эхосигнала. Результаты выполнены для случая, когда объект находиться в грунте на глубине И=4м. ЛЧМ зондирующий сигнал имеет параметры: центральная частота /о=10кГц, частота девиации /д=1 ОкГц и т=200, аппроксимирующий простой радиоимпульс с прямоугольным спектром имеет ту же fo и ширину спектра Л/=/д.
Влияние параметров сигнала и параметров среды на отношение сигнал/помеха
В п. 4.3 проведен анализ помехоустойчивости основных алгоритмов фильтрации в зависимости от ширины спектра зондирующего сигнала. Необходимо провести оценку помехоустойчивости рассматриваемых алгоритмов фильтрации при изменении центральной частоты зондирующего сигнала и параметров среды.
В п. 4.3. было установлено, что увеличение ширины спектра зондирующего сигнала позволяет повысить нормированное ОСП на выходе согласованного фильтра на больших расстояниях в воде и в грунте по сравнению с традиционными узкополосными сигналами.
Проведем анализ влияния поглощения в среде на ОСП при изменении центральной частоты сигнала. Рассмотрение проведем на примере радиоимпульса с прямоугольным спектром. При этом будем считать ширину спектра сигнала Af равной 5кГц. Центральная частота сигнала меняется в пределах от 5кГц до ЗОкГц. п(Ь),дБй -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140
На рис. 4.10 представлены зависимости n(R) = 10lg((p(RJ) от расстояния на выходе адаптивного фильтра 1. На рис. 4.10,а приведены зависимости n(H) = Wlg{(p(HJ) от расстояния, пройденного сигналом в воде, а на рис. 4.10,6 - зависимости n(h) = 10lg( p(h)) от расстояния, пройденного сигналом в грунте. Расчеты проведены для водной среды с температурой t=23C и соленостью S=30/0o- Для грунта был принят коэффициент затухания Ьд=0,2дБ/м кГц.
Анализируя результаты, приведенные на рис. 4.10, можно сделать вывод о том, что скорость снижения нормированного ОСП пропорциональна росту центральной частоты f0. Так, при увеличении центральной частоты сигнала в два раза n(h) на выходе фильтра 1 уменьшилось приблизительно на
ЮдБ на дистанции Н=20км в воде и на 20дБ на дистанции Н=10м в грунте. При увеличении центральной частоты в 4 раза на тех же дистанциях в воде и в грунте n(h) уменьшилось уже примерно на бОдБ и 50дБ соответственно. Таким образом, снижение центральной частоты сигнала позволяет значительно повысить нормированное ОСП на выходе согласованного фильтра на дистанциях Н 10км в воде и Н 5м в грунте. Однако снижение центральной частоты сигнала приводит к увеличению габаритов гидроакустических антенн, поэтому необходимо рационально выбирать центральную частоту сигнала с учетом наименьших возможных размеров искомых объектов и ограничений на сложность, энергетику и массогабаритные характеристики разрабатываемых ГЛС.
На величину ОСП на выходе согласованного фильтра влияют не только изменение параметров излучаемого сигнала, но и природные факторы, такие как параметры затухания среды Ьд.
На рис. 4.11 приведены зависимости изменения нормированного ОСП на выходе адаптивного фильтра 1 при изменении коэффициента затухания Ьд в грунте.
Из рассмотрения результатов, представленных на рис. 4.11, следует, что с увеличением глубины погружения объекта нормированное ОСП падает пропорционально увеличению коэффициента затухания в среде. Для сигналов с центральной частотой ЮкГц при увеличении коэффициента затухания в 2,5 раза потери нормированного ОСП для узкополосных сигналов составляют бОдБ или в 106 раз по мощности, а для СШП сигналов - приблизительно на 20дБ или в 100 раз по мощности. Из этих выводов следует, что целесообразно использовать широкополосные и СШП сигналы, поскольку они обеспечивают в несколько сотен раз большее нормированное ОСП по сравнению с узкополосными сигналами.
Оценим влияние изменения параметров водной среды на величину ОСП на выходе согласованного фильтра. Для этого рассчитаем ОСП при изменении температуры и солености воды.
На рис. 4.12 представлены графики зависимости ОСП, рассчитанные для сигнала с параметрами: центральная частота /о=10кГі{, ширина спектра А/=1кГц Л/=17кГі{, на выходе фильтра 1, поскольку тенденции изменения ОСП сохраняются и для фильтров 2 и 3. При расчетах полагали: температура воды t=25C, соленость S меняется от 4%о до 30/оо (рис. 4.12,а), и соленость S=3(f/oo, температура воды / меняется от -4С до 25С (рис. 4.12,6).
Из графиков, представленных на рис. 4.12, видно, что чем выше соленость и ниже температура воды, тем меньше нормированное ОСП на выходе согласованного фильтра. Так, для узкополосных сигналов на дистанции Н=60км при увеличении солености воды в 5 раз нормированное ОСП на выходе фильтра 1 падает приблизительно на 25дБ, а при понижении температуры воды в 2 раза - на ЗОдБ. Для СШП сигналов нормированное ОСП на выходе рассматриваемого фильтра при изменении солености и температуры воды меняется не более чем на 5 - 7дБ. Применение СШП сигналов позволяет снизить зависимость нормированного ОСП от параметров среды и значительно увеличить его по сравнению с узкополосными сигналами. Так, при солености S=30/oo и температуре t=25C ОСП на выходе фильтра 1 на 40дБ больше нормированного ОСП, полученного для узкополосного сигнала, а при понижении температуры до t=-4C-уже на 150дБ.
Характеристики обнаружения для однократного зондирования с учетом поглощения в среде
В разделе 4 было показано, что вследствие частотно-зависимого поглощения энергии акустических волн в среде распространения происходит резкое уменьшение ОСП на выходе согласованного фильтра, поэтому целесообразно провести исследование влияния поглощения в среде на характеристики обнаружения.
Исследование будем проводить при следующих предпосылках: - искомый объект находится в среде с высоким коэффициентом поглощения на расстоянии Н в воде или на глубине h в грунте, априорно неизвестной. Наибольшее возможное значение дистанции Нтах и глубины hmax известно (задано); - граница раздела сред - плоская горизонтальная; - общее число п интервалов некоррелированности является целым и определяется по формуле (5.7), при этом расстояние R соответствует максимальному расстоянию до объекта Rmax. Как было показано в предыдущем разделе, ОСП зависит от расстояния R, пройденного сигналом в среде, так что 4=qmax-9(R), (5.8) где qmax - определяется зависимостью (4.13), функция p(R) - учитывает по глощение в среде и особенности КфО со) при соответствующем типе помехи.
Максимальное значение ОСП qmax при учете внутренних шумов аппаратуры (4.3), шумов водной среды (4.4) и гидродинамических помех (4.5) определяется формулами (4.23), (4.30) и (4.37), соответственно, a p(R) - выражениями, приведенными в таблице 4.1.
Будем считать, что q соответствует максимальному значению ОСП при R=0M, т.е. q = q\R_0 =qmax- ОСП для эхосигнала от объекта на расстоянии R будет в (p(R) раз меньше, поэтому вероятность правильного обнаружения уменьшается. Для обнаружения объекта на расстоянии R с такой же вероятностью правильного обнаружения D, как и при R=0, необходимо скомпенсировать потери путем увеличения энергии зондирующего сигнала (или ОСП) в j/&(R) Р - Поэтому для обеспечения заданной вероятности правильного обнаружения D объекта, расположенного на расстоянии R в воде (R=H) или в грунте (R=h) значение требуемого при этом максимального ОСП при учете поглощения в среде определяется соотношением: =- (5-9) p(R)
На основании вышеизложенного была разработана методика расчета характеристик обнаружения с учетом влияния поглощения в среде распространения (в воде или в грунте), которая приведена в виде блок-схемы на рис. 5.3.
Проведем исследование влияния поглощения в среде распространения на характеристики обнаружения локационных объектов для рассматриваемых простых зондирующих сигналов.
Для радиоимпульса с постоянной в пределах ширины спектра спектральной плотностью (2.16) максимальные значения qmax при учете электронных шумов аппаратуры, шумов водной среды и гидродинамических помех определяются формулами (4.48) - (4.50) соответственно, а функция p(R) - выражениями, приведенными в таблице 4.2. Квадратичный интервал корреляции г такого зондирующего сигнала определяется выражением, приведенным в таблице 2.1, а разрешающая спо собность следующей формулой
На основании методики, приведенной на рис. 5.3, была разработаны программа расчета необходимого ОСП q(h) для достижения заданной вероятности правильного обнаружения D при заданной вероятности ложной тревоги РЛт, которая приведена в приложении 8.
Расчет q(h) проведен для случая обнаружения малоразмерных объектов, погруженных в донные осадки при следующих данных: - наибольшая ожидаемая глубина погружения объекта в осадки птах=10м; - вероятность ложной тревоги Рлт за цикл зондирования не превышает МО-3; - коэффициент поглощения Ъ„ равен 0,2 и соответствует осадкам м-КГЦ в виде смеси ила и песка. На рис. 5.4 приведены результаты расчетов ОСП q(h), необходимого для обеспечения вероятности правильного обнаружения D=0,9 при вероятности ложной тревоги Рдт-1-10 3 для помехи типа "белый" шум при fo= const и различных Af.
