Исследование пространственно-временных спектральных характеристик многомерного акустического поля для определения направления на источник сигнала

Слуцкий, Дмитрий Сергеевич

Исследование пространственно-временных спектральных характеристик многомерного акустического поля для определения направления на источник сигнала тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Слуцкий, Дмитрий Сергеевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Таганрог МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование пространственно-временных спектральных характеристик многомерного акустического поля для определения направления на источник сигнала»

Автореферат диссертации на тему "Исследование пространственно-временных спектральных характеристик многомерного акустического поля для определения направления на источник сигнала"

на правах рукописи

СЛУЦКИЙ ДМИТРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

Исследование пространственно-временных спектральных характеристик многомерного акустического поля для определения направления на источник сигнала

01.04.06 - Акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

21 НОЯ 2013

Таганрог 2013

005539536

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» на кафедре электрогидроакустической и медицинской техники факультета электроники и приборостроения

Научный руководитель: Воронин Василий Алексеевич

доктор технических наук, профессор, профессор ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог

Официальные оппоненты: Рыжов Владимир Петрович

доктор физико-математических наук, профессор, профессор ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Таганрог

Раскита Максим Анатольевич кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО КБМЭ «Вектор», г. Таганрог

Ведущая организация: ГНЦ ФГУГП «Южморгеология»,

г. Геленджик

Защита диссертации состоится 1_2_. 12.2013 г. в 16 час. 10 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.208.23 при Южном федеральном университете по адресу: 347928, Ростовская обл., г. Таганрог, ул. Шевченко, 2, корп. Е, ауд. Е-306.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной библиотеке Южного федерального университета.

Автореферат разослан _£._^/.2013 г. Ученый секретарь > /7

диссертационного совета - ) ---И.Б. Старченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Мировой океан с каждым годом представляет все больший интерес для человека. Поверхность океана составляет более 70% поверхности нашей планеты. Наше время, период интенсивного освоения и сохранения богатств Мирового океана.

Основными техническими средствами, которые обеспечивают получение наиболее полной и всесторонней информации о водных массах морей и океанов, являются гидроакустические системы и различные приборы, основанные на акустических принципах.

Важными направлениями развития современной гидроакустической техники являются усовершенствование старых и разработка новых способов определения направления распространения гидроакустических сигналов. Это необходимо при решении задач обнаружения и определения местоположения объектов, находящихся в толще воды и на дне, зондирования, эхолотирования, профилирования, навигации, а также при решении гидроакустических задач в мелком море.

В большинстве гидроакустических локационных систем для определения направления прихода сигнала используются методы, требующие настройки на цель по амплитудным или фазовым характеристикам принятого сигнала. При этом вне зависимости от принципа определения пеленга на цель в том или ином методе, в их основе лежит раздельные пространственная и временная обработка сигналов. Тогда как использование пространственно-временной обработки принимаемых сигналов может дать лучший результат. При этом дополнительным классификационным признаком может служить направление волнового вектора принимаемого сигнала.

Новые способы должны отвечать требованиям простоты аппаратной и математической реализации излучения и приема сигналов, а также обработки данных. Первое необходимо для того, чтобы была возможность внедрения новых методик на базе уже существующих приборов. Второе условие должно выполняться для обеспечения непрерывности сканирования водного пространства и

предоставления результатов в реальном времени.

Учитывая актуальность данного направления, автором была поставлена задача исследовать перспективные методы пеленгования и разработать способ определения направления на источник сигнала на основе анализа пространственно-временного поля. Поставленная цель достигается при помощи теоретических исследований, математического моделирования и апробации на экспериментальных данных.

Цели настоящей работы состоят в следующем:

1 .Теоретически исследовать пространственно-временную картину акустического поля с учетом шумовой обстановки в океане.

2.Разработать способ определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа пространственно-временного акустического поля.

3.Разработать способ анализа модового состава акустического поля в мелком море на основе биспектрального анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлена связь между положением главного максимума пространственного спектра и направлением волнового вектора акустического поля при помощи биспектрального анализа пространственно-временного акустического поля.

2. Разработан способ определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа пространственного акустического поля.

3. Разработан способ различения отдельных мод колебаний в гидроакустических волноводах.

Практическая значимость работы:

1. Разработан алгоритм определения направления распространения акустических волн при отношениях сигнал/помеха близких к 1 в случае одновременного пеленгования нескольких целей, при использовании как непрерывных, так и импульсных широкополосных и узкополосных сигналов.

2. Разработана методика определения модового состава акустического поля в волноводе.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Установленная зависимость между положением максимумов пространственного спектра и направлением волнового вектора пространственно-временного акустического поля.

2. Способ определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа пространственного акустического поля.

3. Методика различения нормальных волн в гидроакустических волноводах.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на:

- научной конференции «Экология 2009 - Море и человек», Таганрог, 2009;

- международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2011;

- IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Томск, 2011;

- VII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Таганрог, 2011;

- LVIII научно-технической конференции ППС ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2012;

- VIII Ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН, Таганрог, 2012;

- международной научно-практической интернет-конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте», Одесса, 2012;

- научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества», Таганрог, 2012;

- XI Всероссийской научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 2012;

- научной конференции «Экология 2013 - Море и человек», Таганрог, 2013.

Публикации. За время работы на диссертацией опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Материалы, опубликованные в диссертации, используются при проведении НИР №13631 от 22.06.2011 «Поисковые исследования, разработка методов и средств обнаружения, связи и навигации малоразмерными автономными подводными аппаратами для мониторинга морских объектов и освещения подводной обстановки» шифр «Император-ЮФУ» в Санкт-Петербургском филиале Учреждения Российской академии наук института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 142 страницах, иллюстрирована 71 рисунком и содержит 4 таблицы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложения. Список цитируемой литературы содержит 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи, которые необходимо решить для достижения поставленных целей, показаны научная новизна и практическая значимость работы, перечислены основные результаты, полученные автором в диссертации и положения,

выносимые на защиту.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный исследованию особенностей распространения акустических волн в водной среде, методов пеленгования, применяемых в гидроакустических системах, методов «сверхразрешения» и спектрального анализа, шумовой обстановки в океане и условий распространения акустических волн в мелком море.

В главе приводится анализ ряда теоретических монографий, статей, в которых рассматриваются вопросы применения многомерного спектрального анализа в системах обнаружения сигналов. В результате анализа ставятся задачи, решению которых и

посвящена данная работа.

Вторая глава содержит основные теоретические выкладки для модели пространственно-временного акустического поля и применению биспектрального анализа для определения направления волнового вектора в распространяющемся акустическом поле. Рассматриваются вопросы влияния различных факторов на определение направления, таких как апертура приемной антенной системы и расстояние между приемниками.

При решении задач обнаружения и обработки гидроакустических сигналов поле звукового давления можно рассматривать как случайное пространственно-временное поле.

Аргументами функции такого поля являются время t и координаты точки наблюдения х, у, z в декартовой системе координат. Поэтому рассматривать звуковое поле необходимо одновременно в пространстве и во времени. Четырехмерное частотно-волновое представление для пространственно-временного поля имеет вид:

со

x(t, /•) = ////Р(а>, h ■ ei(al-i:r)d(odkxdkvdkz (1)

—оо

Определить направление волнового вектора для пространственно-временного звукового поля (1) можно с помощью четырехмерного преобразования Фурье его пространственно-временной корреляционной функции:

со

G(a>, к) = J J J J г(г, р) ■ ei{0"-lrp)drdpxdpydpz, где (2)

— со

г{т,р) = r(t2 -t,,r2 -}\) = M{х(/,, г,)x(t2, г2)| - пространственно-временная корреляционная функция.

Использование в прикладных задачах гидроакустики расчета четырехмерного преобразования Фурье нецелесообразно вследствие громоздкости и большой длительности вычислений. Поэтому предлагается рассматривать только пространственное распределенйе поля в одной плоскости. Это позволит без потери точности значительно упростить анализ результатов вычислений.

Для анализа волнового процесса в пространственной области используем теорему Винера-Хинчина, которая устанавливает взаимосвязь пространственных корреляционных функций случайного поля и пространственно-частотного спектра мощности этого поля. Для пространственного случайного процесса математическое выражение теоремы Винера-Хинчина имеет вид:

+со+со

Д(Дх, Ау) = | J G(fx,fyy2^+f^dfxdfY , где (3)

—СО —со

R(Ax,Ay) - пространственная трехмерная корреляционная функция; G(fx, J'y) - пространственный спектр мощности поля; fx, /у -пространственные частоты поля в некоторой плоскости (х,у).

Обратное преобразование представляет собой выражение для биспектра, т.е. преобразования Фурье корреляционной функции третьего порядка. Его можно представить в виде:

-fco+co

G (к х ,ку)- J J Я(Лх, Ay)e'a(k^Ay]dAxdAy, (4)

—со—со

где кх, ку- проекции волнового вектора на соответствующие оси.

Для рассмотрения поля в пространстве необходимо учитывать проекцию волнового вектора на третью ось - kz, но ее можно вычислить, зная величину к и вычислив кх, ку.

Для того чтобы определить пространственную ориентацию волнового вектора в пространстве относительно системы координат, привязанной к приемной антенне, необходимо знать проекции волнового вектора на оси координат (рисунок 1). Для этого можно использовать две линейные антенные решетки, расположенные вдоль осей координат. В каждый момент времени каждая линейная антенная решетка принимает проекцию волнового фронта на соответствующую ось. Путем раздельной обработки сигнала от каждого элемента антенны можно восстановить проекцию волнового фронта на ось координат. Так как для вычислений используется антенна с приемниками, расположенными в одной плоскости, появляется возможность для реализации использовать существующие антенные системы.

На рисунке 2 приведена проекция вычисленного по формуле (4) двумерного пространственного спектра мощности. Координаты главного максимума пространственного спектра соответствуют величине проекций волнового вектора на соответствующие оси, а направление на главный максимум относительно осей координат (угол а) показывает направление волнового вектора принятого сигнала.

Рисунок 1 - Проецирование Рисунок 2 - Проекция двумерного волнового вектора на систему пространственного спектра

координат мощности

На основе данного подхода был разработан алгоритм работы, реализующий обнаружение и обработку сигналов с применением многомерного спектра (рисунок 3).

Данный алгоритм позволяет однозначно определить направление волнового вектора в пространстве.

Третья глава содержит исследование и математическое моделирование возможности практического применения метода пеленгования на основе биспектрального анализа в различных условиях, при сложной шумовой обстановке, при пеленговании в ближнем поле, при наличии эффекта Доплера, при обнаружении

Линейка приемников

2 3

Линейка приемников

АЦП

/ \/

Накопление реализаций

А ЦП

Накоплени г реализаций

Вычисление тройной корреляционной функции

Вычисление биспектра

\ /

Поиск максимума

\ /

Определение

X у

Расчет к.

\ /

Определение направления волнового вектора в пространстве

Рисунок 3 - Обобщенный алгоритм определения направления на

источник сигнала

(нескольких сигналов различной формы, в том числе и волн с искаженным вследствие нелинейности водной среды профилем.

На основе математического моделирования установлена возможность одновременного приема нескольких сигналов разного I типа при малых отношениях сигнал помеха, как показано на рисунке 4 - здесь приведена модель биспектра для трех одновременно пришедших с разных направлений на антенну монохроматического сигнала, радиоимпульса и ЛЧМ-сигнала при отношении сигнал/помеха равном 1. Также показана возможность обнаружения сигналов с искаженным профилем. Модель такого сигнала приведена на рисунке 5 при о=0.8.

Рисунок 4 — Обнаружение нескольких одновременно пришедших сигналов при отношении сигнал/помеха равном 1.

Рисунок 5 - Пространственный спектр для сигнала с искаженным профилем для пройденного безразмерного расстояния равного 0.8.

При определении направления в ближнем поле на пространственном спектре отражаются все направления распространения сигналов, его проекция приобретает форму дуги (рисунок 6). Это дает возможность, определив ширину сечения, оценить расстояние до источника звука.

В главе показано, что наличие эффекта Доплера не оказывает значительного влияния на точность пеленгования методом биспектрального анализа. Рисунок 6 показывает изменение углового сечения пространственного спектра при совокупной скорости

движения приемника и цели в 100 узлов.

\ 0(*,Л >

а„(а)

40 60

80 а, град.

Рисунок 6 - Пространственный спектр при расстоянии до цели равном 0,05 длины ближней зоны

Рисунок 7 - Сечения пространственного спектра для случая наличия эффекта Доплера кривая 1) и его отсутствия (кривая 2)

Также рассматривается влияние конфигурации приемной антенной системы на точность пеленгования при различных направлениях прихода волны. Показано влияние направления прихода сигналов на ширину биспектра при использовании одномерной антенны, двумерных симметричной и асимметричной антенных систем.

На рисунке 8 приведены для сравнения зависимости видимой апертуры антенны (рисунок 8 а) и ширины углового сечения пространственного спектра (рисунок 86) для всех трех вышерассмотренных типов антенных систем - одной линейной антенной системы (кривая 1), двух взаимноперпендикулярных антенных систем с соотношениями сторон 1 (кривая 2) и ХА (кривая 3). Из рисунка 8 можно сделать вывод, что наиболее эффективной с точки зрения минимизации ширины биспектра является пространственная антенная система с одинаковым числом элементов в каждой из линеек приемников.

а) б)

Рисунок 8 - Зависимости видимой апертуры антенны (а) и ширины углового сечения пространственного спектра (б) для одной линейной антенной системы (кривая 1), двух взаимноперпендикулярных антенных систем с соотношениями сторон 1 (кривая 2) и % (кривая 3)

Это связано не только с тем, что такая система имеет наибольшее число приемников, но и с тем, что в такой системе зависимость ширины углового сечения биспектра от угла прихода сигнала наиболее близка к постоянной.

При распространении в волноводе нескольких нормальных волн все они отображаются на рассчитанном пространственном спектре. Сечение спектра при распространении в волноводе четырех мод колебаний с разными амплитудами приведено на рисунке 9. Значения амплитуд вместе с значениями углов позволяют восстановить поперечное распределение давления поля в волноводе, использую выражение:

р(х, г) = А( ■ соъ(к ■ 5т(а,) • г) (5)

На рисунке 10 приведены заданное при моделированное (сплошная линия) и восстановленное по вышеописанной методике (пунктирная линия) поперечные распределения давления по ширине волновода.

а, град. Ь

Рисунок 9 - Сечение спектра при

распространении в волноводе четырех мод колебаний с разными амплитудами

Рисунок 10-Исходное (кривая 1) и восстановленное (кривая 2) распределения давления

В главе предлагается метод повышения разрешающей способности по углу при определении модового состава таким способом. Показано, что при математическом отображении принятого акустического поля относительно верхней абсолютно мягкой границы волновода вдвое увеличивается разрешающая способность.

Питая глава посвящена описанию экспериментальных исследований. Приводятся результаты экспериментальных измерений поперечного распределения давления при волноводном распространении акустических волн в мелком море, а также результаты их обработки при помощи расчета пространственного спектра.

Эксперименты были проведены в акватории Азовского моря. По полученным в результате обработки экспериментальных данных пространственным спектрам были определено, что в каждом случае

имеется несколько максимумов с разными амплитудами, соответственно, в каждом случае в волноводе распространялось несколько волн с разными модами колебаний. Полученные данные сведены в таблицу 1. В таблице буквой А обозначена амплитуда максимума пространственного спектра, а буквой % -соответствующий ему угол.

Таблица 1 - Рассчитанные значения углов и амплитуд максимумов пространственных спектров __

Б_=20 кГц, у Р =20 кГц, Г_=20 кГц, Г_=13 кГц,

цели угол наклона 0° угол наклона угол наклона

+7,5° +2,5°

А X А X А X А X

143,5 1 5,4 1 8,5 1 15,1 1

93,8 4 6 4 4,4 4 9,1 4

102,9 7 2,9 7 - - 5,2 7

Для проверки правильности определения модовой структуры поля в волноводе для разных поперечных распределений давления по данным, приведенным в таблице 1, были рассчитаны поперечные ) распределения по выражению (5), приведенные на рисунке 11.

р(2) р(г)

Рисунок 11 - Исходные (пунктирная линия) и рассчитанные (сплошная линия) поперечные распределения давления в волноводе для данных, полученных при частоте излучения 20 кГц и углах наклона 0° (а), +7,5° (б)

Рисунок 11 показывает, что исходные (пунктирная линия) и рассчитанные (сплошная линия) амплитудные распределения имеют достаточно высокую степень совпадения, что позволяет говорить о правильности предлагаемого метода определения модовой структуры поля в волноводе.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Установлено, что биспектральная обработки сигналов позволяет измерить пространственные проекции волнового вектора на оси координат, и, тем самым, определить направление прихода сигнала.

2. Разработан алгоритм определения направления на источник сигнала на основе многомерных функций.

3. Показано, что высокая помехоустойчивость метода позволяет проводить пеленгование при отношениях сигнал/помеха близких к 1.

4. Показано, что предлагаемый алгоритм позволяет производить обнаружение сложных сигналов и сигналов с искаженным профилем и производить оценку степени

искажения профиля волны.

5. На основании того, что данный алгоритм предполагает раздельную обработку сигнала с каждого приемника, установлена возможность определять направление в ближнем поле и оценивать расстояние до источника по эффективной ширине сечения пространственного спектра

6. Показано, что алгоритм определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа дает возможность проводить анализ модового состава акустических волн при волноводном распространении звука.

7. Разработана методика определения модового состава акустического поля в волноводе на основе биспектрального анализа.

8. Экспериментально подтверждена возможность определения направления волнового вектора при помощи биспектрального анализа.

9. Экспериментально подтверждена возможность применение биспектрального анализа для определения модового состава волн в гидроакустических волноводах.

Список публикаций в журналах, рекомендованных ВАК

1. Слуцкий, Д.С. К вопросу о классификации донных осадков в целях экологического мониторинга прибрежных акваторий [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко // Известия ЮФУ. -Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. - 2009. -№6(95) . - С.96-103.

2. Слуцкий Д.С., Куценко А.Н., Савич Ю.В. Акустический тракт постовой системы ранней диагностики буксовых подшипников для обеспечения экологической безопасности движущихся поездов [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко, Ю.В. Савич // Известия ЮФУ. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. - 2009. - №7(96). - С.41-49.

3. Слуцкий, Д.С. Исследование характеристик акустических и биомедицинских сигналов для создания диагностической и гидроакустической аппаратуры [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.П. Волощенко, А.Н. Куценко, A.A. Резниченко // Известия ЮФУ. Технические науки. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. -2013. -№1. - С.20-26.

4. Слуцкий, Д.С. Исследование характеристик акустических и биомедицинских сигналов для создания диагностической и гидроакустической аппаратуры [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко // Известия ЮФУ. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ. -2013. -№9(146). - С.64-69

Публикации в других изданиях

5. Слуцкий, Д.С. Метод повышения разрешающей способности гидролокационных систем [Текст] / Д.С. Слуцкий // VI ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН. Тезисы

докладов (19 - 30 апреля 2010 г., г. Ростов-на-Дону). -Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН. - 2010. - С.174 - 175.

6. Слуцкий, Д.С. Использование многомерных спектральных функций в гидроакустических системах поиска полезных ископаемых [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко // Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2011». Технические науки. - Одесса: Черноморье. - 2011. -

Том 4. - С.28-31.

7. Слуцкий, Д.С. Использование многомерных спектральных функций для задач обнаружения гидроакустических сигналов [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко // Сборник трудов IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии». Томск, 11 - 13 мая 2011 г. - Томск: Изд-во СПБ Графике. -

2011,- ч.2. -С.228-230.

8. Слуцкий Д.С. К вопросу об использовании многомерных спектральных функций для задачи восстановления профиля дна // VII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: Тезисы докладов (11-22 апреля 2011 г., Ростов-на-Дону). -Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2011. - С.56-57.

9. Слуцкий Д.С. О возможности применения многомерных функций для задач пеленгования // VIII Ежегодная научная конференция студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН: Тезисы докладов (11-26 апреля 2012 г., Ростов-на-Дону). - Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2012. -С.173- 174.

10. Слуцкий, Д.С. О возможности улучшения характеристик навигационных приборов для задач судовождения [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко // Сборник научных трудов SWorld. Материалы международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке,

образовании, производстве и транспорте '2012». — ОдессагКУПРИЕНКО. - 2012. - Выпуск 2. - Том 1. - С.48-51.

11. Слуцкий, Д.С. Использование многомерных спектральных функций для задачи восстановления профиля дна [Текст] / Д.С. Слуцкий, А.Н. Куценко '// Сборник трудов Научной конференции «Сессия Научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества».-М.:ГЕОС. - 2012. - Т.2. - С.326- 329.

12. Slutskiy, D.S., Kutsenko A.N. The possibility of the navigational instrument features improvement for navigation tasks [Text] / D.S. Slutskiy, A.N. Kutsenko // Modern scientific research and their practical application, edited by Alexandr G. Shibaev, Sergiy V. Kuprienko, Alexandra D. Fedorova. Vol. J31208 (Kupriyenko Sergiy Vasilyovich, Odessa, 2012) - URL: http://www.sworld.com.ua/e-journal/J31208.pdf - 331208-635.

13. Слуцкий Д.С. Применение "метода биспектральной обработки сигналов для обнаружения множественных целей в гидролокации // XI Всероссийская научная конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления»: Сборник материалов. - Таганрог: Изд-во ЮФУ, 2012. - Т. 2. -с. 53

Личные вклад автора в публикациях состоит в следующем:

[1] — разработка метода классификации донных осадков по коэффициенту затухания;

[2] - разработка способа оптимизации приемного тракта постовой системы диагностки буксовых подшипников;

[3] - применение пространственной обработки сигналов для повышения чувствительности гидроакустической аппаратуры;

[4] - экспериментальное исследование применения биспектрального анализа для определения модового состава волн в волноводах;

[6] - разработка алгоритма определения направления на источник сигнала при гидролокации морского дна;

г1

[7] - разработка способа определения направления волнового вектора при помощи биспектрального анализа акустического поля;

[10] - исследование возможности определения расстояния и пеленга в ближнем поле при помощи биспектрального анализа;

[11] - исследование шумоподавляющих свойств пространственного спектра;

[12] - построение модели пространственного поля для обнаружения сигналов при малых отношениях сигнал/помеха.

Таганрог. Издательство Южного федерального университета ГСП 17 А, Таганрог, Некрасовский 44 Зак. Тираж /С& экз.

2013 г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Слуцкий, Дмитрий Сергеевич, Таганрог

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ISS'

042014 50++5" СЛУЦКИЙ ДМИТРИЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОМЕРНОГО АКУСТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ НА

ИСТОЧНИК СИГНАЛА

Специальность 01.04.06 - Акустика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Василий Алексеевич Воронин

Таганрог 2013

На правах рукописи

СЕРГЕЕВИЧ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 4

1 Обзор литературных источников.......................................... 10

2 Разработка способа определения направления на источник сигнала с использованием многомерных спектральных

функций.......................................................................... 24

2.1 Исследование модели пространственно-временного акустического поля....................................................... 24

2.2 Применение биспектральной обработки для определения направления волнового вектора....................................... 27

2.3 Погрешность определения направления волнового вектора на основе биспектрального анализа....................................... 30

2.4 Разработка алгоритма обработки для определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа...................................................................... 42

2.5 Выводы по главе 2........................................................ 49

3 Исследование области практического применения способа определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа................................................... 50

3.1 Влияние направления прихода сигнала на угловую ширину пространственного спектра............................................. 50

3.2 Влияние геометрии приемной антенной системы на угловую ширину пространственного спектра..................................... 57

3.3 Влияние помех на угловую ширину пространственного

спектра...................................................................... 69

3.4 Применение пространственного спектра при обнаружении сигналов с искаженным профилем и сложных сигналов......... 73

3.5 Применение пространственного спектра при определении направления на источник сигнала в зоне Френеля................. 77

3.6 Влияние эффекта Доплера на угловую ширину пространственного спектра............................................. 80

3.7 Выводы по главе 3........................................................ 84

4 Разработка способа определения модового состава акустических волн в мелком море.......................................................... 85

4.1 Исследование распределения акустического поля в волноводе 85

4.2 Применение способа определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа для определения модового состава акустических волн в волноводе................. 91

4.3 Разработка методики определения модового состава волн в гидроакустических волноводах........................................ 105

4.4 Выводы по главе 4........................................................ 107

5 Экспериментальное исследование модового состава акустического поля в мелком море....................................... 108

5.1 Оборудование и методика проведения экспериментальных исследований................................................................................ 108

5.2 Обработка экспериментальных данных при помощи биспектрального анализа................................................ 119

5.3 Выводы по главе 5........................................................ 125

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ.................................. 128

ПРИЛОЖЕНИЕ........................................................................ 140

ВВЕДЕНИЕ

Мировой океан с каждым годом представляет все больший интерес для человека. Поверхность океана составляет более 70% поверхности нашей планеты. Наше время, период интенсивного освоения и сохранения богатств Мирового океана.

Несмотря на большое разнообразие используемых гидроакустических приборов, их возможности ограничены, и не всегда они полностью удовлетворяют полностью предъявляемым требованиям. Между тем ставится ряд задач, который могут быть решены только с помощью новой, более совершенной гидроакустической аппаратуры.

В последнее время уровень развития гидроакустики значительно вырос. Разрабатываются новые, более точные и совершенные средства гидролокации. Тем не менее, перед гидроакустикой стоит множество проблем, которые необходимо решить при создании новых гидроакустических комплексов, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к современной гидроакустической аппаратуре.

Актуальность работы. Важными направлениями развития современной гидроакустической техники являются усовершенствование старых и разработка новых методов определения направления распространения гидроакустических сигналов. Это необходимо при решении задач обнаружения и определения местоположения объектов, находящихся в

толще воды и на дне, зондирования, эхолотирования, профилирования, навигации, а также при решении гидроакустических задач в мелком море.

Новые методы должны отвечать требованиям простоты аппаратной и математической реализации излучения и приема сигналов, а также обработки данных. Первое необходимо для того, чтобы была возможность внедрения новых методик на базе уже существующих приборов. Второе условие должно выполняться для обеспечения непрерывности сканирования водного пространства и предоставления результатов в реальном времени [4].

Учитывая актуальность данного направления, автором была поставлена задача исследовать пространственно-временные характеристики акустического поля и разработать алгоритм определения направления на источник сигнала на основе анализа пространственно-временного поля с учетом специфики гидроакустической локации.

Поставленная цель автором достигается при помощи теоретических исследований, математического моделирования и апробации на экспериментальных данных.

Цели настоящей работы состоят в следующем:

1. Теоретически исследовать пространственно-временную картину

акустического поля с учетом шумовой обстановки в океане.

2. Разработать способ определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа пространственно-временного акустического поля.

3. Разработать способ анализа модового состава акустического поля в мелком море на основе биспектрального анализа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

3. Разработан способ различения отдельных мод колебаний в гидроакустических волноводах.

Практическая значимость работы:

2. Разработана методика определения модового состава акустического поля в волноводе.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

3. Методика различения нормальных волн в гидроакустических волноводах.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены

на:

международной научно-практической интернет-конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2011;

IX Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Томск, 2011;

- LVIII научно-технической конференции ППС ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2012;

международной научно-практической интернет-конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте», Одесса, 2012;

- LIX научно-технической конференции ППС ТТИ ЮФУ, Таганрог, 2013;

- научной конференции «Экология 2013 - Море и человек», Таганрог, 2013.

Публикации. За время работы над диссертацией опубликовано 13

работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для

публикации основных результатов диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук. Материалы, опубликованные в диссертации,

используются при проведении НИР №13631 от 22.06.2011 «Поисковые

исследования, разработка методов и средств обнаружения, связи и навигации

малоразмерными автономными подводными аппаратами для мониторинга морских объектов и освещения подводной обстановки» шифр «Император-ЮФУ» в Санкт-Петербургском филиале Учреждения Российской академии наук института океанологии им. П.П. Ширшова РАН.

Первая глава содержит обзор литературы, посвященный следующим вопросам:

1. Исследованию особенностей распространения акустических волн в водной среде.

2. Исследованию методов определения направления на источник сигнала, применяемых в гидроакустических системах.

3. Исследованию методов «сверхразрешения» и спектрального анализа, применяемых в локационных системах.

4. Исследованию шумовой обстановки в океане.

5. Исследованию условий распространения акустических волн в мелком море.

как апертура приемной антенной системы и расстояние между приемниками.

Третья глава содержит исследование и математическое моделирование возможности практического применения определения направления на источник сигнала на основе биспектрального анализа в различных условиях, при сложной шумовой обстановке, при локации в ближнем поле, при наличии эффекта Доплера, при обнаружении нескольких сигналов различной формы, в том числе и волн с искаженным вследствие нелинейности водной среды профилем. Также рассматривается влияние конфигурации приемной антенной системы на угловое разрешение при различных направлениях прихода волны.

Четвертая глава посвящена исследованию волноводного распространения звука в мелком море и разработке методики определения модового состава акустических волн в волноводах, таких как мелкое море. Методика основана на том, что в зависимости от номера нормальной волны меняется направление его волнового вектора. Предлагается способ повышения разрешающей способности по углу при определении направления волнового вектора на основе биспектрального анализа.

Пятая глава посвящена описанию экспериментальных исследований. Приводятся результаты экспериментальных измерений поперечного распределения давления при волноводном распространении акустических волн в мелком море, а также результаты их обработки при помощи расчета пространственного спектра.

1 Обзор литературных источников

Гидроакустические системы являются наиболее распространенным

средством для решения задач исследования океана. С помощью

гидроакустических систем решаются задачи поиска объектов в толще воды и

на дне, прокладка морских трасс, восстановление профиля дна океана,

измерение скорости движения как носителя, так и искомых объектов,

контроль состояния гидротехнических сооружений др.[1]

Гидроакустические волны - единственный вид энергонесущих

колебаний, способных распространяться в воде на большие расстояния. При

этом они могут достаточно эффективно отражаться от неоднородностей

(естественных и искусственных) в толще воды и границ раздела морской

среды: «вода—дно», «вода—поверхность», «вода—лед». Этот физический

феномен лежит в основе принципа действия различных гидроакустических

систем, получивших широкое использование на флоте: на подводных лодках,

надводных кораблях, глубоководных аппаратах, а также в стационарных

(береговых) системах. Эти средства позволяют решать задачи обнаружения,

классификации, определения координат и параметров движения морских

целей, слежения за ними. Гидроакустические средства обеспечивают также

звукоподводную связь между кораблями, их взаимное опознавание,

обнаружение гидроакустических сигналов. Гидроакустические

навигационные системы (абсолютные доплеровские лаги и системы

позиционирования с донными маяками-ответчиками) обеспечивают точную

навигацию подводных лодок в подводном положении и использование

ракетного оружия без всплытия на поверхность. Поисково-

обследовательские гидролокаторы бокового и кругового обзора

обеспечивают подводным лодкам возможность безопасного плавания в

Арктическом бассейне, включая всплытие в разводьях среди ледового

покрова. Важная роль принадлежит гидроакустическим системам при

обнаружении затонувших объектов и проведении спасательных операций. Большое значение для безопасности плавания кораблей сохраняет эхолот — старейшее гидроакустическое средство [2, 3].

Одной из задач, решаемых любым гидроакустическим средством вне

зависимости от назначения, является определение направлений прихода

отраженных от искомых объектов и дна океана сигналов и времени их

распространения. В большинстве гидроакустических локационных систем

для определения направления прихода сигнала используются следующие

методы: амплитудный, фазовый, доплеровский [4], интеситометрический [5],

корреляционный [6] и их разновидности. Амплитудный (максимальный)

метод, в котором пеленгование происходит по максимуму или по минимуму

характеристики направленности, наиболее прост в реализации, но имеет

низкую точность; фазовый, в котором измеряется разность фаз между

принятыми на два разнесенных в пространстве приемника сигналами,

наиболее точен, но имеет низкую помехоустойчивость и сложен в

реализации. Доплеровский метод применяется в радиолокации во

вращающихся антеннах. Пеленг на цель определяется по модуляции сигнала,

вызванной движением антенны относительно цели [7]. В

интенситометрическом методе пеленгования, как и в фазовом методе,

применяются два разнесенных в пространстве приемника. Пеленг

определяется по соотношению интенсивностей принятых на них сигналов.

Корреляционный метод, в котором определяется временной сдвиг между

принятыми на два разнесенных в пространстве приемника сигналами по

максимуму взаимной корреляционной функции [8], является наиболее

гибким, поскольку позволяет использовать широкополосные сигналы,

проводить одновременную пеленгацию нескольких целей, использ