Аналого-цифровые средства приёма и обработки акустических сигналов с применением преобразования Вигнера-Виля и функции неопределённости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

005011407

На правах рукописи

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА ПРИЁМА И ОБРАБОТКИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВИГНЕРА-ВИЛЯ И ФУНКЦИИ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

01.04.03 - радиофизика 01.04.06 - акустика

1 С 0ЕЗ 2012

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2012

005011407

Работа выполнена в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского г. Нижний Новгород

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Е.И. Шкелёв

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.Р. Фидельман кандидат физико-математических наук В.И. Турчин

Ведущая организация: ФГБНУ НИРФИ г. Нижний Новгород

Защита состоится "'2.3 " фбсрЗМ 2012 г. в часов на заседании диссертационного совета^іі2М.07- при Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина,

С диссертациеи можно ознакомиться в. ййлияехи ЮТ

Автореферат разослан « 2-У» МІоуА 2012 г.

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

I

В.В. Черепенников

Общая характеристика работы

Предметом данной диссертационной работы является создание, теоретическое обоснование и использование в научных экспериментах и практических приложениях в области акустики и гидроакустики методов и средств обработки сигналов, используемых при передаче информации, контроле состояния, зондировании и диагностике физических объектов.

Актуальность темы диссертации

Задачи приёма информации в акустическом канале связи, исследование поведения подводных объектов по принятым от них сигналам, а также задачи диагностики среды распространения звука актуальны и имеют приложения в области морских исследований, океанографии, морской добычи полезных ископаемых, сбора научных данных, навигации, устройствах вибродиагностики, в геолого- и сейсморазведке, а также в других областях науки и техники, связанных с приёмом и обработкой сигналов, требующей высокого время-частотного разрешения.

В диссертации представлены два направления исследований. Первое посвящено цифровым методам спектрально-временной обработки и цифровым адаптивным системам. Второе - синтезу аналоговых устройств для входных цепей приёмных систем. Основной задачей данной работы явилось создание и использование в научных экспериментах методов и средств обработки акустических сигналов.

Цель работы

Целью диссертационной работы является:

1) Исследование метода спектрально-временного анализа на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля, включая оценку его частотно-временного разрешения, помехоустойчивости и работоспособности посредством теоретического обоснования, экспериментальных исследований в лабораторных и реальных условиях и численного моделирования.

2) Исследование возможности применения взаимного преобразования Вигнера-Виля в системах вибродиагностики и системах, контролирующих мелкомасштабные (меньше длины волны) перемещения мобильных объектов.

3) Теоретическое исследование и экспериментальная проверка возможности применения взаимного преобразования Вигнера-Виля для определения дисперсионных свойств среды методом активного зондирования.

4) Исследование, разработка экспериментальная проверка адаптивных методов и алгоритмов для приёмных систем звукоподводной связи, функционирующих в условиях действия помех, многолучевого распространения и пространственного перемещения приёмо-передающих устройств.

5) Исследование применимости взаимной функции неопределённости с синтезируемым поисковым методом опорным колебанием для обработки сложных шумо-подобных сигналов от быстроподвижных объектов в условиях, когда движение объекта вызывает значительные изменения закона модуляции.

6) Разработка активных фильтров с заданными частотными и фазовыми характеристиками при учёте ограничений, обусловленных технологическим разбросом параметров элементной базы, на основе метода многофункционального параметрического синтеза.

Научная новизна

В диссертационной работе предложены:

1. методы и средства спектрально-временной обработки с повышенным частотно-временным разрешением на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля, предназначенные

- для измерения параметров угловой модуляции сигналов с большой базой,

- для измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов,

- для измерения частотно-временных характеристик сигналов от импульсных источников в волноведущих средах,

- для исследования дисперсионных свойств среды распространения звука, особенно сред со слабой дисперсией;

2. адаптивная гидроакустическая система для приёма кодированных заданным набором (алфавитом) символов фазоманипулированных сигналов со случайным временем прихода от источников с малой скоростью перемещения, в основу работы которой положено последетекторное вычисление взаимной функции неопределённости с опорным сигналом, соответствующим заданному алфавиту символов;

3. способ обработки сложных сигналов, основанный на синтезе опорного колебания поисковым методом с целью определения параметров исследуемого сигнала по критерию максимума модуля взаимной функции неопределённости при нулевом смещении по времени и по частоте;

4. метод многофункционального синтеза активных фильтров по совокупности требуемых частотных и фазовых характеристик с учётом дискретности и технологического разброса параметров элементной базы.

Практическая значимость работы

Полученные в работе результаты и предложенные средства аналоговой и цифровой обработки сигналов могут быть использованы при разработке приёмных устройств каналов связи, гидролокационных систем и программно-аппаратных средств, предназначенных для определения параметров движения мобильных объектов и для исследования свойств среды распространения сигналов.

Предлагаемые методы цифровой обработки могут найти применение в устройствах вибродиагностики, в геолого- и сейсморазведке, в областях науки и техники, связанных с приёмом и обработкой сигналов с большой базой, а также в измерительных системах с высоким время-частотным разрешением.

Предложенная методика дискретного многофункционального синтеза активных аналоговых фильтров упрощает их разработку и позволяет синтезировать фильтры с заданными амплитудно- и фазо-частотными характеристиками при наличии ограничений на номиналы используемой элементной базы.

Результаты работы могут быть внедрены в учебный процесс в Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского (ННГУ) при разработке и проведении лекционных курсов и лабораторных занятий. Можно рекомендовать использование разработанных в диссертации методов спектрально-временной обработки сигналов в НИРФИ (г. Н.Новгород), ННГУ, ИПФ РАН (г. Н.Новгород), ОАО ГНПП «Регион» (г. Москва), ОАО «Концерн «МПО - Гидроприбор» (г. С-Петербург).

Основные положения, выносимые на защиту

1. метод обработки сигналов с применением взаимного преобразования Вигнера-Виля позволяет увеличить частотно-временное разрешение и устойчивость к воздействию помех приёмных устройств в гидроакустических каналах связи, повы-

шает точность измерения параметров движения мобильных объектов и применим для исследования дисперсионных свойств сред распространения сигналов, особенно сред со слабой дисперсией;

2. адаптивный метод обработки сложных сигналов, основанный на синтезе параметров опорного сигнала поисковым методом с критерием максимума модуля взаимной функции неопределённости при нулевом смещении по времени и по частоте, позволяет измерять параметры сложных сигналов от быстроподвижных объектов, движение которых вызывает значительные изменения закона модуляции;

3. метод многофункционального синтеза активных фильтров позволяет создавать фильтрующие звенья со строго заданными частотными и фазовыми характеристиками при наличии дискретности и технологического разброса параметров элементной базы.

Публикации и апробация результатов

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на XXVJ отраслевой научно-технической конференции «МПО-МС 2007», Санкт-Петербург, 2007;

- на научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, 2007;

- на научной конференции по радиофизике, Нижний Новгород, 2008;

- на международной научно-технической конференции ИСТ-2008, Нижний Новгород, 2008;

- на международном симпозиуме INTELS'2008, Нижний Новгород, 2008,

и были опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК:

- «Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского», серия «Радиофизика» 2009;

- «Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского», серия «Радиофизика»2010;

- «Известия вузов. Радиофизика» 2010;

- «Информационно-измерительные и управляющие системы» 2011;

- «Датчики и системы» 2011;

- «Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского», 2011;

Структура н объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 145 страниц, включая 41 рисунок, 4 таблицы и список литературы из 135 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении дана краткая характеристика современного состояния решаемых в диссертационной работе научных задач. Приведён обзор литературы, обоснована актуальность работы, сформулированы её цель и выносимые на защиту положения.

В первом разделе показана возможность применения взаимного преобразования Вигнера-Виля (ПВВ) в качестве инструмента частотно-временного анализа с учётом свойственных ему особенностей.

В разделе 1.1 даны общие сведения о преобразовании Вигнера-Виля и функции неопределённости Вудворда (ФНВ). Обсуждаются особенности их применения для спектрально-временного анализа, которые сводятся к следующему: 1) ПВВ эффективно в отношении непрерывных и импульсных сигналов, частотно-временные свойства которых можно представить в форме зависимости мгновенной частоты (активного спектра) от времени; 2) ФНВ применима для анализа сложных широкополосных сигналов, корреляционные свойства которых характеризуются «острыми» и быстро спадающими максимумами. Билинейные ПВВ и ФНВ обладают сильно выраженными интермодуляционными искажениями, наличие которых усложняет процедуру спектрально-временного анализа. Поэтому в диссертации для обработки сигналов u{t) используются линейные взаимные преобразования

R(t,v) = J u^t + dt - взаимная функция неопределенности,

—oo

- взаимное преобразование Вигнера-Виля,

—oo

в которых s,j(/) - опорный сигнал, сконструированный по образцу полезной составляющей s(t) в исследуемом сигнале и(г), Г и V - сдвиги по времени и частоте соответственно.

В разделе 1.2 исследуется метод взаимного ПВВ применительно к сигналам u(t), полезная составляющая s(t) которых образована суммой s(t) = (О нескольких импульсов 5,(0 =Aj(i)cos(2^jr + де) (г = 1, 2, 3,...) с частотами/„ начальными временами 1j и длительностями Tj = т. В качестве опорного использовался импульсный сигнал s0(f) = Ao(i)cos(2^of + Çb)> с частотой/0, начальным временем t0 и длительностью zô = г. Результат обработки таких сигналов - взаимное распределение Вигнера-Виля (ВРВВ) P(t,f) - является продуктом взаимодействия s(t) и sn(t), модуль которого \P{t,f)\ характеризует распределение взаимной мощности на плоскости частота-время. Активные области \P(t,f)\ лежат вблизи частот /,■ = (/■ +/о)/2 и времён tj = (t, +t„)/2. Это служит основанием применения ПВВ для частотно-временной селекции многокомпонентных сигналов, в том числе тогда, когда имеется перекрытие по времени или по частоте образующих s(f) импульсных составляющих. Теоретически рассчитана дисперсия оценки частоты и временного положения импульсных сигналов i,(') ПРИ действии помехи в виде гауссова шума в полосе Д/„,. Результаты расчёта подтверждены численным моделированием на примере сигналов со скачкообразным изменением частоты и фазоманипулированных по псевдослучайному закону сигналов.

Раздел 1.3 посвящен анализу сигналов, полезные составляющие которых могут состоять их некоторого числа мод

sk(t) = Ак ехр^я'^ fk(x)dx + (pic(t)j=Ate^<-^ (к - номер моды),

обладающих большой длительностью и непрерывным в широких пределах изменением частоты (являются сигналами с большой базой). Активные области ВРВВ таких сигналов сосредоточены вблизи частот Vf, (?) = (и(/) + И)(?))/2, согласованных с мгновенными частотами Н(/)=/*(/) + (l(pi(t)ldt = d^(t)/dt и Kj(/)=fo(t) + d@,(t)idt = dfi,(t)ldt полезных составляющих jj(f) (к > 0) и опорного колебания sn(t) (к = 0). Дана теоретическая оценка разрешающей способности А/по частоте и At по времени, которую даёт распределение квадрата модуля \P{t,f)\2 ВРВВ (см. в связи с этим распределение \P(t,f)\2 на рис. 1а для сигнала u(t), в составе которого имеются три моды). Показано,

г

что в случае, когда девиация частоты в пределах окна интегрирования Г„. не

превышает 2.5/Г„., получаемые из |Р(Г,/)|2 величины Д/и Дf близки к тем, которые даёт обычное ПВВ. Исследована роль фазовых множителей во взаимных распределениях

(&(/) мгновенных фаз. Наличие фазовых множителей приводит к колебаниям Rk(t) = Re[P(t,f=vk(t))] и Ik(t) = Im[P(t,f=vk(t))] в реальной и мнимой частях ВРВВ, периоды Тк которых зависят от разностей мгновенных частот v*(f) и и,(0: Тк = 1/(и(0 - Kj('))- На рис. 16 показан характер подобных колебаний в реальной части Re[P(t,f)] ВРВВ трёхмодового сигнала u(t), распределение квадрата модуля [P(t,f)[2 которого представлено на рис. 1а. Анализ колебаний Rk(t) и Ik(t) позволяет увеличить не только частотно-временное разрешение, но даёт возможность производить измерения с точностью до мгновенной фазы. При этом дисперсия ошибки измерения мгновенной частоты сигнала при шумовой помехе со спектральной мощностью Л'о и при

о

опорном колебании с энергией Е0 уменьшается до величины <Тд^ = 2Л^о£оД/7А/ш, что

обусловлено фильтрующими свойствами взаимного ПВВ, определяемыми частотным разрешением А/. Произведена оценка помехоустойчивости взаимного ПВВ посредством численного моделирования с использованием одномодового сигнала s(t) с заданным законом изменения частоты flt), синусоидального опорного колебания su(t) и шумовой добавки (белого гауссова шума с различной мощностью). Показано, что дисперсия оценки /(f) близка к о> = (л/3 ItiTw)4K / Рс (Рш и Рс ~ соответственно мощность шума и мощность сигнала), если девиация частоты /(г) = (f(t) — /0)/2 в пределах окна интегрирования меньше 2.5/Тк.

Эффективность спектрально-временного анализа с применением взаимного ПВВ подтверждена результатами лабораторного эксперимента (раздел 1.4), в котором акустический сигнал u(t) принимался подвижным приёмником, совершающим колебания с амплитудой меньше длины волны. Оценивалась точность измерения скорости и характера движения приёмника. Измерения проводились в условиях, когда

Pk(t,f) = для отдельных мод, связанных с разностью AfcU) = -

максимальная скорость приёмника не достигала значений, которые можно было бы измерять, основываясь на эффекте Доплера и применяя «скользящее» преобразование Фурье. Обусловленный движением приёмника сдвиг по частоте был измерен путём анализа колебаний реальной R(t) = Re[P(t,f=f0)] части взаимного ПВВ при синусоидальном опорном сигнале, частота которого/0 была сдвинута на некоторую величину относительно частоты излучённого сигнала. Были зафиксированы движения приёмника с максимальной скоростью 17 см/с. Показано также, что в совокупности реальная R(t) и мнимая /(f) = Im[P(t,f =/о)] части взаимного РВВ позволяют выявить характер движений путём анализа перемещения изображающей точки на фазовой I-R плоскости.

В разделе 1.5 представлена структура цифровой системы сбора и обработки данных, предназначенная для реализации взаимного преобразования Вигнера-Виля применительно к задачам вибродиагностики и измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов. Система имеет в своём составе специализированные вычислители и цифровой процессор сигналов и способна работать в реальном масштабе времени.

Раздел 1.6 посвящён исследованию морской среды методом активного воздействия и с обработкой принятого сигнала посредством взаимного ПВВ. Исследования базировались на экспериментальных данных, полученных в Чёрном море. Представлены результаты спектрально-временной обработки сигналов от импульсных источников (от взрывных источников и от пневмоизлучателей), а также от источников JI4M сигналов с полосой качания 216-236 Гц. Точка приёма располагалась на морском дне на глубине ~ 1200 м и на расстоянии около 200 км от источника. Анализ импульсных сигналов показал их сложную многомодовую структуру и подтвердил высокое частотно-временное разрешение ПВВ. JI4M сигналы применялись при исследовании дисперсионных свойств среды распространения звука, а выполнявшиеся в ходе исследований измерения основывались на сопоставлении принятого сигнала u(t) с копией исходного сигнала sucx(t), использовавшегося в качестве опорного. Была достигнута разрешающая способность по частоте, при которой отклонение частотно-временного профиля f(t) принятого сигнала u(t) от исходного линейного профиля fucx(t) излученного сигнала s„cx(l) может быть измерено с точностью |Л/(/)| < 0.5/7V, что невозможно получить, применяя существующие средства цифрового спектрального 8

анализа на основе преобразования Фурье. Результаты анализа ЛЧМ сигналов, основанного на измерении отклонения закона модуляции от линейного, позволили сделать предположение о возможности применения ВРВВ для исследования дисперсионных свойств среды.

В разделе 2 исследуются два типа адаптивных систем и их рассмотрению посвящены разделы 2.1 и 2.2.

Раздел 2.1 содержит обоснование необходимости адаптивной обработки сигналов в гидроакустическом канале связи, особенностью которого являются вызванные средой относительные перемещения приёмника и передатчика. Представлена цифровая адаптивная гидроакустическая система приёма и обработки кодированных заданным набором символов (алфавитом) фазоманипулированных сигналов со случайным временем прихода. Соответствие заданному алфавиту определяется посредством последетекторного вычисления взаимной функции неопределённости по каждому символу. Система способна работать в реальном масштабе времени и включает адаптивный полосовой фильтр, синхронный детектор, вычислители ВФН с адаптивными пороговыми обнаружителями на выходах, с помощью которых в небольших пределах подстраивается частота опорного синусоидального колебания, поступающего на синхронный детектор и в качестве обучающей функции на входной адаптивный полосовой фильтр. Необходимость подстройки частоты опорного колебания обусловлена упомянутыми выше особенностями канала связи с перемещающимися с малой скоростью источником и приёмником сигналов. Приведены результаты численного моделирования системы. Проверена её работоспособность посредством обработки реального сигнала по данным эксперимента в морских условиях.

В разделе 2.2 предложена адаптивная система идентификации сложных фазоманипулированных по псевдослучайному закону сигналов, излучённых (или переизлучённых) быстроподвижным объектом в условиях, когда движение объекта приводит к значительному искажению закона модуляции. Способ идентификации основан на синтезе параметров опорного сигнала поисковым методом с критерием максимума модуля взаимной функции неопределённости при нулевом смещении по времени и по частоте. Целью синтеза является определение параметров исследуемого сигнала и(/) путём достижения их соответствия параметрам опорного колебания Система предназначена для обработки сигналов, поступающих от быстроподвижных и еовер-

9

шающих сложные движения объектов, и её работа предполагает предварительную запись принимаемого сигнала на носитель информации.

Раздел 3 посвящен построению активных фильтров (АФ), выполняющих задачу частотной селекции в аналоговом тракте приёмной аппаратуры. Рассмотрен многофункциональный синтез АФ по совокупности требуемых характеристик, реализованный методом нелинейного математического программирования. Идея метода состоит в привязке решения задачи к глобальному экстремуму целевой функции Р(Х) и нахождению её координат. Применительно к синтезу АФ такая задача решается относительно пространства дискретных параметров (номиналов резисторов и конденсаторов, параметров), значения которых соответствуют рядам промышленных номиналов Е6 - Е192. Приведены примеры синтеза АФ для приёмного тракта гидроакустической аппаратуры с заданными АЧХ и ФЧХ.

Подобный подход использовался в разделе 2.2 при синтезе опорного колебания для системы обработки фазоманипулированного сигнала с той разницей, что упомянутый в разделе 2.2 синтез производился на сетке непрерывных параметров.

В Заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

Список литературы содержит библиографические описания источников, ссылки на которые имеются в тексте диссертации.

Основные результаты диссертации

1. Разработаны методы, программные и аппаратные средства спектрально-временной обработки с повышенным частотно-временным разрешением на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля для измерения параметров угловой модуляции сигналов с большой базой, для измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов, для измерения частотно-временных характеристик сигналов от импульсных источников в волноведущих средах, для исследования дисперсионных свойств среды распространения звука, особенно сред со слабой дисперсией. Увеличение разрешения достигается детальным анализом профилей сечений распределений реальной и мнимой частей ВРВВ.

2. Для применения в гидроакустических каналах связи предложена адаптивная, способная работать в реальном времени система приёма и обработки сложных

фазоманипулированных по псевдослучайному закону со случайным временем прихода сигналов, принадлежащих заданному алфавиту символов, соответствие которому проверяется путём вычисления взаимной функции неопределённости.

3. Предложен способ идентификации сложного фазоманипулированного по псевдослучайному закону сигнала, излучённого (или переизлучённого) быстроподвижным объектом в условиях, когда движение объекта приводит к значительному искажению закона модуляции. Способ идентификации заключён в подборе (синтезе) опорного колебания, повторяющего образ исследуемого сигнала. Задача синтеза опорного колебания решается поисковым методом с целевой функцией, сформированной по трём аддитивным критериям - максимуму модуля взаимной функции неопределённости и минимуму смещения по частоте и времени.

4. Предложена методика многофункционального синтеза активных фильтров по совокупности требуемых частотных и фазовых характеристик с учётом дискретности параметров элементной базы, позволившая значительно сократить время разработки аналоговых трактов.

Список публикации по теме диссертации

1. Бугров В.Н., Зайцев C.B., Земнюков Н.Е. САПР для синтеза активных фильтров // Материалы XXVI отраслевой научно-технической конференции «Морское подводное оружие. Морские подводные работы - вопросы проектирования, конструирования и технологий». - Санкт-Петербург, 2007.

2. Шляхова Е.А., Земнюков Н.Е. Подводный акустический маяк-ответчик // Материалы XXVI отраслевой научно-технической конференции «Морское подводное оружие. Морские подводные работы - вопросы проектирования, конструирования и технологий». - Санкт-Петербург, 2007.

3. Корокозов М.Н., Земнюков Н.Е. К вопросу оптимизации обработки импульсных частотно-манипулированных сигналов // Материалы XXVI отраслевой научно-технической конференции «Морское подводное оружие. Морские подводные работы - Вопросы проектирования, конструирования и технологий». - Санкт-Петербург, 2007.

4. Земнюков Н.Е., Зайцев C.B. Синтез активных фильтров с многопетлевой обратной связью. В кн.: «Тр. 11-ой научной конференции по радиофизике. 7 мая

2007 г.». - Н. Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2007.

5. Земнюков Н.Е., Зайцев С.В. Дискретный синтез активных полиномиальных фильтров. В кн.: «Тр. 11-ой научной конференции по радиофизике. 7 мая 2007 г.». - Н. Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2007.

6. Бугров В.Н., Земнюков Н.Е. Методы синтеза активных фильтров в гидроакустическом частотном диапазоне // Материалы Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии (ИСТ-2008)». - Нижний Новгород, 2008.

7. Земнюков Н.Е., Трубин Г.М. Синтез и построение активного декадного фильтра гидрофонного тракта. В кн.: «Тр. 12-ой научной конференции по радиофизике. 7 мая 2008 г.». - Н. Новгород: Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 2008.

8. Земнюков Н.Е. Контроль пороговых статических и динамических воздействий на трубопроводы с помощью трехкомпонентного акселерометра // Материалы Восьмого Международного симпозиума «Интеллектуальные системы (INTELS'2008)». - Нижний Новгород, 2008.

9. Бугров В.Н., Лупов С.Ю., Земнюков Н.Е., Корокозов М.Н. Дискретный синтез цифровых рекурсивных фильтров // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. 2009. № 2. С. 76-82.

10. Zaitsev B.D., Kuznetsova I.E., Zemnyukov N.E., Proidakov V.I., Teplykh A.A. Píate acoustic waves for low frequency delay line stalling signáis up to 0.5 ras. // «International Congress on Ultrasonics», Universidad de Santiago de Chile, 2009 r.

11. Шкелев Е.И., Земнюков Н.Е. Трехкоординатный измеритель ускорений с подавлением внешних шумовых воздействий // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. - Н. Новгород, 2010. № 1. С. 96-98.

12. Шкелев Е.И., Земнюков Н.Е. Спектрально-временной анализ с применением взаимного преобразования Вигнера-Виля // Изв. вузов - Радиофизика, 2010. Т. 53. № 2. С. 134.

13. Шкелев Е.И., Бугров В.Н., Земнюков Н.Е. Обработка сложных сигналов от подвижных источников с применением взаимной функции неопределенности // Информационно-измерительные и управляющие системы. - Москва: Изд. «Радиотехника», 2011. № 3. С. 85-89.

14. Шкелев Е.И., Земнюков Н.Е. Система обработки данных для вибродиагностики подвижных объектов Н Датчики и Системы. 2011. № 12. С. 15-19.

15. Шкелев Е.И., Земнюков Н.Е., Корокозов М.Н., Стромков A.A., МарышевА.П., Диденкулов И.Н. О возможности применения взаимного преобразования Вигнера-Виля для исследования дисперсионных свойств среды // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского. -Н. Новгород, 2011. № 5 (3). С. 97-102.

Оглавление диссертации

Введение 5

Общая характеристика работы 5

Актуальность работы 18

Цель работы 18

Задачи работы 18

Научная новизна 19

Основные положения, выносимые на защиту 20

Практическая значимость работы 21

Апробация работы 21

Публикации 22

Структура и объем работы 22

1. Спектрально-временной анализ сигналов на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля 1.1. Общие сведения о преобразовании Вигнера-Виля и функции неопределённости Вудворда

1.2. Измерение параметров сигналов с импульсной модуляцией 32

1.3. Анализ сигналов с непрерывной угловой модуляцией 45

1.4. Исследование параметров мелкомасштабных движений

(эксперимент с подвижным приёмником звука) 57

1.5. Система сбора и обработки данных для измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов 63

1.6. Исследование свойств среды методом взаимного

преобразования Вигнера-Виля 66

Анализ сигналов, вызванных импульсным воздействием 68 Анализ дисперсионных свойств среды при воздействии

сигналами с линейной частотной модуляцией 76

1.7. Выводы к разделу 1 85

2. Адаптивные системы обработки сложных сигналов

с применением взаимной функции неопределённости 87

2.1. Адаптивный приёмник фазоманипулированного сигнала

со случайным временем прихода 88

2.1.1. Структура и функциональные блоки приёмника 89

Адаптивный КЬв-фильтр 91

Программный блок вычисления

адаптивного порога обнаружения 96

2.1.2. Численное моделирование приёмной системы

и проверка её работоспособности 99

Численный эксперимент 99

Проверка работоспособности приёмной системы по результатам обработки данных натурного эксперимента 101

2.2. Обработка фазоманипулированного сигнала

с искаженным частотно-временным профилем 103

2.3. Выводы к разделу 2 110

3. Синтез фильтрующих звеньев приёмных

устройств гидроакустического канала связи 112

3.1. Описание поискового метода синтеза

параметров фильтрующих устройств 113

Постановка задачи многофункционального синтеза 114

Блок-схема компьютерной программы синтеза 117

3.2. Синтез корректирующего активного фильтра нижних частот

на сетке дискретных параметров 118

3.3. Дискретный синтез декадного полосового активного фильтра 124

3.4. Выводы к разделу 3 128

Заключение 130

Литература 132

Подписано в печать 13.01.2012. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1. Заказ № 6. Тираж 100.

Отпечатано в Центре цифровой печати Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23.

61 12-1/583

Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

На правах рукописи

Земнюков Николай Евгеньевич

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ СРЕДСТВА ПРИЁМА И ОБРАБОТКИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВИГНЕРА-ВИЛЯ И ФУНКЦИИ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ

Специальность 01.04.03 - радиофизика 01.04.06 - акустика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Е.И. Шкелёв

Нижний Новгород - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...............................................................................5

Общая характеристика работы......................................................5

Актуальность работы.................................................................18

Цель работы............................................................................18

Задачи работы..........................................................................18

Научная новизна.......................................................................19

Основные положения, выносимые на защиту...................................20

Практическая значимость работы..................................................21

Апробация работы.....................................................................21

Публикации.............................................................................22

Структура и объем работы..........................................................22

1. Спектрально-временной анализ сигналов на основе взаимного преобразования Вигнера-Виля..............................25

1.1. Общие сведения о преобразовании Вигнера-Виля и

функции неопределённости Вудворда.............................................26

1.2. Измерение параметров сигналов с импульсной модуляцией...........32

1.3. Анализ сигналов с непрерывной угловой модуляцией..................45

1.4. Исследование параметров мелкомасштабных движений (эксперимент с подвижным приёмником звука)................................57

1.5. Система сбора и обработки данных для измерения параметров мелкомасштабных движений мобильных объектов...........................63

1.6. Исследование свойств среды методом взаимного преобразования Вигнера-Виля......................................................66

Анализ сигналов, вызванных импульсным воздействием.....68

Анализ дисперсионных свойств среды при воздействии сигналами с линейной частотной модуляцией...................76

1.7. Выводы к разделу 1..............................................................85

2. Адаптивные системы обработки сложных сигналов

с применением взаимной функции неопределённости...........87

2.1. Адаптивный приёмник фазоманипулированного сигнала

со случайным временем прихода...................................................88

2.1.1. Структура и функциональные блоки приёмника..................89

Адаптивный М^-фильтр.............................................91

Программный блок вычисления

адаптивного порога обнаружения..................................96

2.1.2. Численное моделирование приёмной системы

и проверка ее работоспособности............................................99

Численный эксперимент...............................................99

Проверка работоспособности приёмной системы по результатам обработки данных натурного эксперимента....101

2.2. Обработка фазоманипулированного сигнала

с искаженным частотно-временным профилем...............................103

2.3. Выводы к разделу 2............................................................110

3. Синтез фильтрующих звеньев приёмных

устройств гидроакустического канала связи........................112

3.1. Описание поискового метода синтеза

параметров фильтрующих устройств............................................113

Постановка задачи многофункционального синтеза..........114

Блок-схема компьютерной программы синтеза................117

3.2. Синтез корректирующего активного фильтра нижних частот

на сетке дискретных параметров.................................................118

3.3. Дискретный синтез декадного полосового активного фильтра.......124

3.4. Выводы к разделу 3............................................................128

Заключение.........................................................................130

Литература..........................................................................132

Основные сокращения

В диссертационной работе приняты следующие сокращения:

АРУ -автоматическая регулировка уровня

АФ -активный фильтр

АЦП -аналого-цифровой преобразователь

АЧХ -амплитудно-частотная характеристика

БПФ -быстрое преобразование Фурье

ВРВВ -взаимное распределение Вигнера-Виля

ВФН -взаимная функция неопределённости

ВЧР -время-частотное распределение

ИС -измерительная система

КИХ -конечная импульсная характеристика

JI4M -линейная частотная модуляция

МОС -многопетлевая обратная связь

НМП -нелинейное математическое программирование

ОУ -операционный усилитель

ПВВ -преобразование Вигнера-Виля

ПЗК -подводный звуковой канал

ПСП -псевдослучайная последовательность

ПУ -приёмное устройство

РВВ -распределение Вигнера-Виля

СВА -спектрально-временной анализ

СВР -спектрально-временное распределение

СФА -скользящий Фурье-анализ

ФНВ -функция неопределённости Вудворда

ФЧХ -фазо-частотная характеристика

ШПС -широкополосный сигнал

RLS -recursive least square (рекурсивный метод наименьших квадратов)

Введение

Общая характеристика работы

Конечные цели, используемые методы и техника обработки сигналов многочисленны и часто различны. Для реализации её многих функций используются различные средства как технические, так и программные.

Современные приёмные системы обработки сигналов, как правило, сочетают аналоговую и цифровую обработку. Цифровым способам отдаётся предпочтение всегда, когда для этого есть необходимые предпосылки. И, прежде всего, это возможность обработки сигналов в реальном времени. Цифровые системы стабильны, они просто адаптируются и перестраиваются. Их можно реализовать с помощью заказных (специализированных) интегральных схем, программируемой логики или цифровых процессоров. Аналоговые средства являются неотъемлемой частью приёмных устройств (ПУ), и от качества их работы во многом зависит конечный результат обработки принимаемого сигнала.

Развитие элементной базы систем обработки сигналов происходит в общем русле совершенствования технологии средств связи, телекоммуникационных и измерительных систем, систем автоматики и т.д. Общая тенденция развития приёмных устройств отражается в расширении частотного и динамического диапазонов, увеличении чувствительности, расширении многофункциональности, повышении роли модульности (см., например [1]).

Цифровая обработка, связанная с выполнением стандартных функций приёмного устройства, в значительной степени поддерживается аппаратными средствами, такими как программируемые интегральные схемы, специализированные вычислители, цифровые сигнальные процессоры и т.д. Сложные алгоритмы обработки сигналов, требующие больших объёмов памяти и вычислительных мощностей, приходится выполнять в два этапа. На первом (предвари-

тельном) этапе обрабатываемый сигнал и(7) переводится в цифровую форму и сохраняется. Основная обработка сигнала реализуется на втором этапе и целиком программными средствами. При этом специфика первого этапа заключается, главным образом, в обеспечении предварительной селекции и усилении принимаемого сигнала до уровня, при котором становится возможным его преобразование в цифровую форму,.

Одним из основных факторов, влияющих на распространение гидроакустического сигнала, является распределение градиента скорости звука по глубине. Минимумы данного распределения образуют подводные звуковые каналы (ПЗК), оси которых располагаются на глубинах от 50 до 2000 м в зависимости от географического района и сезона [2]. Излучение и приём сигнала вблизи оси ПЗК, расположенного в толще воды, является наиболее благоприятным случаем с точки зрения потерь на распространение. В данном случае потери определяются, в основном, поглощением звука в морской среде и зависят от диапазона применяемых частот и расстояния между приёмником и излучателем. Для диапазона частот 16 Гц -60 кГц энергия потерь на

поглощение звука хорошо аппроксимируется зависимостью

у

[3 = 0,036//2 (дБ/км), где/- частота (кГц) [3]. Наличие и глубина ПЗК зависят от конкретного географического района и сезона. В то же время практические приложения, требующие применения звукоподводной связи, как раз не предполагают размещение приёмников и передатчиков в ПЗК. Приёмники и излучатели находятся на разных уровнях глубин, часто вблизи границ (поверхность и дно) и нередко разделены слоем скачка. Рефракция, являющаяся следствием наличия градиента скорости звука (как по глубине, так и по дальности), приводит к появлению зон геометрической тени со слабой интенсивностью звука [2]. Такие зоны (имеющие периодическую структуру, зависящую от взаимного расположения приёмников и излучателей, глубины моря, вертикального разреза скорости звука [4]) приводят к неустойчивому приёму сигналов уже на небольших дистанциях между излучателем и

приёмником. Влияние границ в виде поверхности и дна моря сводится к рассеянию, а в случае дна и поглощению сигналов, особенно при наличии ила и осадочных пород, где поглощение составляет 0.3-0.5дБ/м на частоте 1 кГц [3]. Влияние границ уменьшается при снижении частоты сигнала. Рассеяние звука, также, происходит в звукорассеивающих слоях [2] и на неоднородных образованиях.

Одной из форм проявления свойств акустического канала связи является сильная многолучёвость. Проблемы, связанные с многолучёвостью уже давно разрешаются не только в отношении акустических каналов связи, но и в системах связи по радиоканалу. Примерами могут служить многолучёвость в беспроводных мобильных системах связи, интерференционные эффекты замирания при распространении радиоволн вдоль поверхности Земли. Здесь имеется большой теоретический и экспериментальный задел и опыт разработки технических средств, способных работать в условиях многолучевого распространения [5, 6]. Одним из средств эффективной работы в многолучевом канале связи является применение сложных шумоподобных сигналов [7, 8].

К перечисленному следует добавить действие различных по происхождению шумов. В гидроакустическом канале связи причиной появления шумового фона могут быть шумы волнения моря, сейсмическая активность Земли, а также различные шумы, порождённые промышленной деятельностью [9]. Уровень последних многократно возрос за последнее десятилетие в связи с работами на морском шельфе по поиску полезных ископаемых. Результаты проведённых с участием автора натурных морских экспериментов в 2003 - 2009 годах в Чёрном море показывают, что общий уровень шумового фона часто превышает уровень сигнала в его полосе более чем на 16 дБ.

Важным фактором, влияющим на качество приёма акустического сигнала, является низкая скорость распространения звуковых волн (в воде ~ 1500 м/с). Как следствие, увеличивается отношение и/с (где v - радиальная

составляющая скорости приёмника/излучателя, с - скорость распространения звука в воде), что может приводить к большим фазовым набегам при малых скоростях взаимного перемещения излучателя и приёмника. Вследствие рефракции распространение гидроакустического сигнала происходит по сложным траекториям. Даже в случае строгой пространственной стационарности излучателей и приёмников, при расположении излучателей в относительной близости от поверхности сигнал, на пути своего распространения, испытывает многократные переотражения от нестационарной морской поверхности, приводящие к доплеровскому смещению несущей частоты [10, стр.153 - 159].

Вышеперечисленное определяет требования, которым должны удовлетворять используемые в акустических каналах связи сигналы и методы их обработки. В частности, выбор способов модуляции и алгоритмов обработки должен исходить из условия уверенного выделения полезного сигнала и измерения его параметров при наличии изменений в пространственном расположении приёмника и передатчика, с учётом свойств среды и характера распространения. В свою очередь, приёмная аппаратура должна обеспечивать максимальное отношение сигнал/шум, что необходимо для достоверной оценки измеряемых параметров, в частности тех, по которым определяются параметры относительного движения источника и приёмника - мгновенной фазы и мгновенной частоты. В условиях многолучевого распространения к этому добавляется задача выявления числа приходящих в точку приёма лучей и оценки присущих каждому из лучей временных и частотных сдвигов с целью их дальнейшего энергетического суммирования. Учитывая изменчивый характер самого гидроакустического канала, приёмная аппаратура (особенно алгоритмы цифровой обработки), должны иметь возможность адаптации к конкретным условиям приёма. Такие лидеры в разработке гидроакустической аппаратуры, как LinkQuest Inc. (США), Teledyne Benthos (США), EvoLogics (Германия), выпуская модификации систем гидроакустической связи для

различных глубин, закладывают в аппаратуру элементы адаптации для применения её в различных географических широтах, шумовых и помеховых условиях. Например, стабильность гидроакустического канала (время, в течение которого можно считать, что импульсная характеристика канала не меняется) в Чёрном море составляет 10 - 15 минут [10, стр. 75 -79], в Тихом океане на трассе Гавайи - Камчатка - около 20 минут [11], на дистанциях около 15 км в Японском море - до 2-х часов [12]. По истечении данного времени может изменяться уровень шумов, помеховая обстановка, распределение различных неоднородностей в среде, могут происходить флуктуации вертикального разреза скорости звука вдоль трассы распространения сигнала. Поэтому алгоритм адаптации приёмной аппаратуры к изменяющимся условиям приёма должен работать постоянно [13, 14].

Современные системы звукоподводной связи являются цифровыми [7,8, 15]. В условиях сложного канала передачи именно такие системы обеспечивают наибольшую устойчивость связи, т.к. работают с ограниченным набором дискретных импульсных сигналов, представляющих цифры, из которых формируется конечный алфавит, априорно известный приёмнику. Необходимость применения цифровой обработки в этих устройствах продиктована прежде всего тем, что она повышает стабильность и расширяет функциональные возможности приёмного устройства, в частности, возможность осуществления программными средствами сложных процедур, реализующих функции адаптации ПУ к условиям приёма поступающего на его вход сигнала. Немаловажным фактором является контролируемость параметров ПУ, а также простота механизма перестройки. Критерием качества цифровых систем связи является вероятность неверного детектирования цифры или вероятность ошибки РЕ [15]. Задачей выбора типов модуляции передаваемых сигналов и цифро-аналоговых алгоритмов обработки является снижение вероятности ошибки РЕ, достигаемое максимизацией отношения сигнал/шум на выходе канала обработки. Особенностью многих звукоподводных систем связи

является их автономность, т.е. данные системы не обслуживаются человеком из-за сложности доступа к ним, и, как следствие, большинство из них имеют свои источники питания. Поэтому одним из важных требований к подобной аппаратуре связи является требование энергосбережения что, в свою очередь, приводит к ряду особенностей при проектировании электронной аппаратуры и построении самого канала передачи информации.

Энергосбережение аппаратуры обеспечивается, в первую очередь, подбором соответствующей электронной компонентной базы и, как следствие, общим построением алгоритма обработки сигналов. Использование микропроцессоров с низкой частотой тактирования позволяет снизить энергопотребление, но накладывает жёсткие требования к частотно-избирательным свойствам аналогового тракта, которые достигаются схемотехническими решениями с оптимальными характеристиками.

Ширина звукоподводного канала передачи информации и его частотный диапазон зависят от дальности. Например, для передачи информации на расстояние около 3.5 км используются несущие частоты порядка 25 кГц при ширине частотной полосы канала до 10 кГц [16]. Для связи на расстояния более 10 км несущие частоты не превышают 25 кГц [17], где потери на поглощение звука и расширение фронта волны (без учета влияния границ и других факторов) составляют около 95" дБ [4]. Для расстояний около 50 км несущие частоты выбираются порядка 7 кГц, ширина полосы сигналов около 200 Гц [18, 19]. В связи с низкочастотностью и узостью полосы пропускания не представляется возможным передавать большие объемы данных по звукоподводному каналу связи, как это делается по радиоканалу. Поэтому при работе на дистанциях более 10 км протокол связи строится на основе кодовых сообщений, формируемых из конечного алфавита сигналов, априорно известных приёмнику.

В условиях изменчивости параметров измеряемых сигналов и при действии различных помех применимы адаптивные способы обработки. Применение

адаптивных измерительных систем (ИС) особенно эффективно при отсутствии априорной определённости в характеристиках шумов в канале связи и действующих в нем помех.

Существенное улучшение качества работы ИС достигается при использовании цифровых методов обработки сигналов [20-25]. В практик�