Методы обработки сигналов для стационарной системы, работающей в режиме шумопеленгования и согласованной с каналом распространения и характеристиками полей сигнала и помехи тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

БУЙ ЧЫОНГ ЗАНГ

Методы обработки сигналов для стационарной системы, работающей в режиме шумопеленгования и согласованной с каналом распространения и характеристиками полей сигнала и помехи

Специальность: 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ¿'СЕН 2014

Санкт-Петербург- 2014

005552749

005552749

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)» на кафедре электроакустики и ультразвуковой техники (ЭУТ).

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Селезнев Игорь Александрович, заместитель генерального директора ОАО «Концерн «Океанприбор» по стратегическому, инновационному развитию и научной работе, профессор базовой кафедры конструирования и технологии электронной аппаратуры СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Попович Василий Васильевич, заместитель директора Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук (СПИИРАН) по научной работе.

доктор технических наук, профессор Белов Борис Петрович, заведующий кафедрой "Морские информационные и роботизированные системы" Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Ведущая организация - ОАО «Акустический институт им. акад. H.H. Андреева», Москва.

Защита состоится «12» ноября 2014 г. в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5, ауд. 5108.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) и на сайте СПбГЭТУ: www.eltech.ru

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим высылать по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан «_» сентября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.238.06 д.т.н., доцент

_/А.М. Боронахин /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Повышенное внимание к разработкам полезных ископаемых на шельфе и создание для этих целей сложных технических сооружений - нефте- и газодобывающих платформ, требует создания систем освещения надводной и подводной обстановки в местах размещения таких платформ. Задачей таких систем является недопущение несанкционированного проникновения нарушителей в зону работы платформы, контроль судоходства в месте размещения платформы (что особенно актуально в мелководных районах и районах рыбного промысла, где возможно повреждение подводных кабелей и трубопроводов системами рыбного лова).

Не менее актуальной является задача охраны и пресечения несанкционированного доступа в экономически важные районы шельфовой зоны - районы интенсивного рыболовства и т.п. В данной ситуации предпочтителен выбор системы освещения подводной обстановки, работающей в режиме шумопеленгования (ШП), как минимально влияющей на экологическую обстановку в месте установки антенн.

Целью исследования является решение научной задачи повышения эффективности стационарных гидроакустических комплексов (СГАК), работающих в режиме ШП, в сложных гидролого-акустических условиях (ГАУ), в том числе в условиях мелководья.

Задачи исследования

В соответствии с целевой установкой исследования в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ и выбор основных направлений повышения эффективности СГАК, работающего в сложных ГАУ.

2. Анализ комплекса алгоритмов обработки гидроакустических сигналов при решении задачи обнаружения для СГАК в режиме ШП, выбор показатели оценки решения задачи.

3. Разработка перспективных алгоритмов обработки гидроакустической информации в режиме ШП, согласованных с характеристиками канала распространения сигнала.

4. Создание физико-математической модели решаемой задачи, разработка и построение имитационной модели, позволяющей производить оценку эффективности предлагаемых алгоритмов обработки и их устойчивости в меняющихся ГАУ.

5. Сравнительная оценка эффективности предлагаемых алгоритмов обработки в рамках данного исследования.

6. Оценка устойчивости предлагаемых алгоритмов при ошибках оценки характеристик полей помех, воздействующих на систему.

7. Выработка рекомендаций по использованию предлагаемых в работе алгоритмов обработки в СГАК, работающих в сложных ГАУ Восточного моря Вьетнама.

Объектом исследования является СГАК, работающий в режиме ШП, предназначенный для освещения подводной и надводной обстановки в экономически важном районе Мирового океана.

Предметами исследования являются модели сигналов и помех в режиме ШП, учитывающие процесс распространения сигнала в реальном гидроакустическом канале с известными параметрами; адаптивные методы обнаружения сигналов в режиме ШП, согласованные с параметрами канала распространения и характеристиками полей сигнала и помехи.

Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы следующие научные методы:

1. Поиск средств повышения эффективности гидроакустических средств;

2. Теоретические исследования;

3. Создание и исследование математических моделей.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе используются методы теории подобия и моделирования, теории численных методов интегрирования, теории распространения, приема и излучения звука, теории гидроакустических антенн, методы матстати-стики, методика модельного проектирования.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Адаптивные алгоритмы обработки сигналов в режиме ШП, согласованные с параметрами канала распространения и характеристиками полей сигнала и помехи, позволяют повысить отношение сигнал/помеха (ОСП) на выходе тракта обработки за счет введения амплитудно-фазового распределения на элементах антенны.

2. Имитационная модель оценки эффективности и устойчивости алгоритмов обработки для систем обнаружения в режиме ШП, согласованных со средой распространения, позволяет производить сопоставительную оценку эффективности различных алгоритмов, а также оценку их устойчивости к ошибкам задания параметров среды и к различным законам распределения полей помех, воздействующих на входные элементы системы.

3. Методика оценки эффективности и устойчивости алгоритмов обработки сигналов в режиме ШП, согласованных со средой распространения, в сложных ГАУ позволяет производить сопоставление различных алгоритмов обработки в режиме ШП по единому критерию, а также оценивать устойчивость рассматриваемых алгоритмов к ошибкам определения характеристик полей сигналов, помех и канала распространения.

4. Результаты оценки устойчивости предложенного алгоритма обработки к ошибкам оценки характеристик передаточной функции среды (скорости звука в волноводе Пекериса, глубины волновода, характеристики дна) и различным законам распределения полей помех показывают высокую эффективность предлагаемого фазового алгоритма обработки гидроакустической информации в режиме ШП и его устойчивость при ошибках определения характеристик полей сигналов, помех и канала распространения.

Научную новизну представляют следующие результаты:

1. Новые адаптивные алгоритмы обработки сигналов в режиме ШП, применительно к задаче согласования с характеристиками передаточной функции среды.

2. Новая имитационная модель оценки эффективности и устойчивости алгоритмов обработки для систем обнаружения в режиме ШП, согласованных со средой. Предложенная модель позволяет производить сопоставительную оценку эффективности и устойчивости предложенных алгоритмов, подтвердить их выигрыш в ОСП (по сравнению с традиционным методом) на выходе тракта обработки для заданной модели канала распространения в виде волновода Пекериса и выбранных моделей сигнала и помехи на входе тракта обработки.

3. Результаты оценки устойчивости предложенного алгоритма обработки к ошибкам оценки характеристик передаточной функции среды и для различных законов распределения полей помех.

Теоретическая значимость. Предложенная автором в рамках работы имитационная модель в среде МАТЬАВ позволяет проводить сопоставительную оценку эффективности (по

выбранному показателю) различных алгоритмов обработки, обеспечивающих согласование с характеристиками сигналов, помех и канала распространения, а также их устойчивости к ошибкам оценки характеристик передаточной функции среды (скорости звука в волноводе Пекериса, глубины волновода, характеристик дна) и к различным законам распределения полей помех, воздействующих на входные элементы антенны. Данная имитационная модель может быть также использована в учебном процессе при подготовке специалистов в области создания гидроакустических средств.

Практическая значимость. Предлагаемый комплекс технических и алгоритмических решений, апробированных на проведенных модельных испытаниях, позволяет повысить эффективность обработки сигналов для СГАК, работающего в режиме ШП и решающего задачи освещения обстановки экономически важных районов Мирового океана. Численная оценка, полученная в данной работе позволяют оценить выигрыш (по ОСП) одного алгоритма в сравнении с другим конкретным алгоритмом.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методов исследований; применением современных компьютерных средств и программ расчетов; а также конкретными результатами компьютерного моделирования для различных условий расчетов, не противоречащих опубликованным результатам, полученным другими авторами.

Внедрение результатов работы. Имитационная модель, созданная в рамках выполнения диссертационного исследования, а также результаты оценки устойчивости алгоритмов обнаружения, согласованных со средой распространения, в режиме ШП, использованы сотрудниками ОАО «Концерн «Океанприбор» в НИР «Акула» и ОКР «Покров», выполняемых в рамках Федеральной целевой программы № 1 по заказу Минпромторга России. Результаты работы в части имитационной модели могут быть использованы в рамках учебного процесса для оценочной задачи, при произведении оценок эффективности различных алгоритмов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Международной конференции "The 6th International Workshop on Information Fusion and Geographical Information Systems: Environmental and Urban Challenges (IF&GIS' 2013)" (Санкт-Петербург, 12-15 Мая 2013г.); 3-й молодежной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (МАГ-2013), (Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «Океанприбор», 09-11 октября 2013г.); XXVII-ой сессии РАО, посвященная памяти ученых-акустиков ФГУП «Крыловский государственный научный центр» A.B. Смольякова и В.И. Попкова (Санкт-Петербург, 16-18 Апреля 2014 г.); 12-ой всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (ГА-2014), (Санкт-Петербург, 27-29 Мая 2014 г.); а также на конференции аспирантов СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 6 работ - в рекомендуемых ВАК РФ изданиях, 3 - в других статьях и материалах конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения, списка литературы. Общий объем работы составляет 121 страница машинописного текста, который включает 45 рисунков, 6 таблиц и содержит список литературы из 84 наименований, среди которых 49 отечественных и 35 иностранных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, показаны объект, предмет и методы исследования, приведены научная новизна, теоретическая значимость и практическая значимость исследования, а также научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ задачи повышения эффективности СГАК, работающего в сложных ГАУ.

На основе литературных источников проводится обзор современного состояния проблемы разработки методов согласованной обработки гидроакустической информации в России и за рубежом. Показано, что использование адаптивных методов, в т.ч. метода согласованной обработки, является перспективным для повышения эффективности обработки гидроакустических сигналов (роста ОСП по выходу тракта обработки), разработан ряд перспективных алгоритмов, в том числе и базирующихся на оптимальных методах обнаружения. Однако, предлагаемые в литературе алгоритмы обработки не доведены до стадии практической реализации, в первую очередь в части учета влияния ошибок определения передаточной функции среды распространения, а также оценок характеристик полей сигналов и помех, что является принципиально важным при реализации адаптивных методов обработки, особенно при адаптации к характеристикам канала распространения сигнала, что не позволяет использовать предложенные в литературе решения для практических задач.

В первой главе представлены основные направления исследований, повышающие эффективность работы (ОСП на выходе тракта обработки) СГАК при его функционировании в заливе Бакбо Вьетнама (предлагаемого района размещения системы). Проанализированы характеристики полей помех в указанной акватории, особенности распространения сигнала в данном водном районе с учетом пространственного распределения скорости звука в различные времена года, показана возможность использования для описания распространения звукового сигнала в данном районе модели Пекериса - модели двухслойного волновода с верхней мягкой границей и поглощением в дне, при этом скорости звука в слоях воды и дне являются постоянными. Рассмотрена изменчивость акустического поля сигналов в зависимости от внешних факторов и подтверждена необходимость использования алгоритма согласованной со средой обработки для этого района.

Рассмотрены известные аналитические решения, соответствующие постановке задачи исследования, в том числе т.н. «оптимальный» алгоритм обработки сигналов в режиме ШП, согласованный со средой распространения сигнала. Отмечено, что при синтезе данного алгоритма использовано предположение о Гауссовском (или нормальном) распределении полей сигнала и помехи, которое оказывается неправомерным в некоторых практически важных случаях, например в условиях интенсивного судоходства, что характерно для прибрежных районов Вьетнама, в том числе залива Бакбо. Более того, в литературе отсутствуют данные об оценке устойчивости этого алгоритма к изменению законов распространения полей помех и сигнала. Исходя из анализа литературы, автором обоснована необходимость создания нового алгоритма обработки в режиме ШП, мало чувствительного к изменениям характеристик полей помехи и сигнала, согласованного с каналом

распространения, при этом достаточно простого в реализации для широкого круга практических задач. Требуется также проведение оценки эффективности предложенного алгоритма, сопоставление его с известным алгоритмом типа «квадратор-интегратор» по выходу сформированного веера характеристик направленности, реализуемого сегодня в большинстве известных систем ШП, по показателю ОСП и оценка его устойчивости к ошибкам определения характеристик канала распространения.

Во второй главе проведена разработка комплекса предлагаемых алгоритмов согласованных со средой обработки гидроакустических сигналов при решении задачи обнаружения для СГАК, работающего в режиме ШП.

Определены показатели и критерии эффективности решения задачи обнаружения для СГАК в режиме ШП, по которым проводится сравнительная оценка эффективности предлагаемых в работе и традиционных алгоритмов обработки для режима ШП.

Предложен инструмент для исследования и анализа предлагаемых алгоритмов обработки - имитационная модель, включающая в свой состав входные модели сигналов и помех, модель среды распространения, в качестве которой выбран волновод Пекериса, модели предлагаемого и традиционного алгоритмов обработки, блок оценки эффективности алгоритмов по показателю сигнал/помеха.

В данной работе рассматриваемая гидроакустическая система является стационарной в силу географических и гидрологических особенностей района установки, и пассивной, поскольку такая система является более скрытной и более экономичной с точки зрения энергопотребления, чем активная система. Для рещения поставленных в работе задач с учетом конкретных особенностей района размещения СГАК построен оптимизированный алгоритм обработки сигналов для системы освещения обстановки, согласованной с каналом распространения и характеристиками сигнала и помехи. Проведена оценка дальности действия предлагаемой системы освещения обстановки, работающей в режиме ШП, которая с учетом предложенных в рамках данной работы новых алгоритмов способна обеспечить дальность действия 10-15 км по малошумным объектам.

В качестве приемной антенны предлагается использовать конструкцию, собранную из вертикально размещенных дискретных антенных линеек, с 40 элементарными приемниками каждая, расстояние между приемными элементами в линейке составляет <1 = 0.5• М/,р) (м)

(где А(/ср): акустическая длина волны на средней частоте рабочего диапазона частот системы, который составляет 500-3000 Гц). Верхний приемник антенны прогружен на глубину 10 м. Расчет такой конструкции и структура тракта обработки, решающего задачу обнаружения в режиме ШП для цилиндрической антенны, реализованной в виде набора вертикальных антенных модулей, рассматривались автором в дипломной работе, защищенной на кафедре ЭУТ в 2011 году.

Для построения имитационной модели автором выполнен анализ источников гидроакустических помех, влияющих на работы СГАК в конкретным месте размещения СГАК (заливе Бакбо). По результатам исследований (в статьях автора) может быть сделан вывод, что поле помех в месте установки СГАК представляет собой аддитивную смесь 3-х основных независимых компонентов: динамический шум моря, шум дальнего судоходства, гидродинамический шум. В работе приведены практические формулы расчета спектральной

плотности давления для этих шумов, зависящие от волнения моря, интенсивности шумов судоходства, скорости подводных течений в районе размещения СГАК.

Приведено спектрально-пространственное представление полей сигнала, помехи и обоснована модель канала распространения, учитывающая особенности конкретного района наблюдения.

Наблюдаемое поле имеет вид: Р(/,х) = Б(/,х) + Ы(/,х), (/ е F,д: е А) где А - пространственная дискретная область наблюдений, определяемая координатами приемных элементов антенны, задание которых, в свою очередь, формирует конфигурацию антенны; 5(/,х) - поле сигнала, которое, как правило, предполагается Гауссовским случайным полем с нулевым математическим ожиданием и известными остальными параметрами закона распределения, в данной работе рассматриваем только одиночные источники; Л^/.х) - поле помехи, которое, как правило, предполагается Гауссовским случайным полем с нулевым математическим ожиданием.

С теоретической и практической точки зрения обоснована целесообразность использования для моделирования волновода Пекериса, а именно модель двухслойного волновода с верхней мягкой границей и поглощением в дне, скорости звука в слоях воды и дне являются постоянными, в качестве канала распространения сигнала в данном исследовании. Для решения поставленной задачи выбрана такая модель волновода, т.к. она, во-первых, обладает всеми основными характерными свойствами мелководного волновода, и во-вторых, применение которой позволяет избежать исключительно сложных и трудоемких расчетов и кроме того, позволяет легко изменять параметры моделируемой морской среды. При этом показано, что имитационная модель может быть реализована и для более сложных вариантов описания распространения звука в водной среде.

Рисунок 1 - Упрощенная иллюстрация модели Пекериса

Жидкость ct(z\p.

Дно cd(z),pd,rs

Расчетная формула вычисления акустического давления для модели Пекериса:

х, ■ 51п(х,г) • 5т(х,2л)

1 - —— • и2 ~ ■ sin2 (x,z)-tg(x,z) x¡ x,n

(1)

где H— глубина волновода, z — координата приемника, zg- координата источника сигнала, г — расстояние от источника до приемников антенны, Н^— функция Ханкеля первого рода, нулевого порядка, = к sin Э, = -Jk,2 - (х, У - горизонтальное волновое число нормальных волн

l-nf

(вдоль слоя), 19 - угол падения, к ~кв= —— - волновое число для воды, / - частота,

с.

и = л/1 - п2 , п = с„ /сд, т = р й / р г , - вертикальное волновое число, рд,р,<сд,се -плотности и скорости в воде и в дне соответственно.

Обозначим вектор-столбец функции Грина, компонентами которого являются передаточные функции морской среды от точки расположения источника к каждому элементу антенны Н(/,х) (/

В условиях мелкого моря, ее практическое выражение имеет следующий вид

Н(/,х) = .1 о-» 1 А/>' (2)

ГА

здесь а(/,х) — потеря за счет эффектов поглощения и затухания на граничных поверхностях волновода Пекериса; 1 /г^1— потеря за счет расширения волновых фронтов. В условии мелкого моря, это затухание подчиняется закону «3/2», являющийся промежуточным между цилиндрическим законом для слоя с абсолютно отражающим дном и сферическим для безграничного однородного слоя; /?(/) - частотно-зависимое затухание (в мелком море Д/) = 0.04-/128 (дБ/км)).

Передаточная функция среды является комплексной величиной и записывается как

Н{/,х) = Ан(/,х)-е^ (3)

где Ан{/,х) - амплитудная составляющая, ф[[(/,х) - фазовая составляющая.

Сформулирована структура адаптивных алгоритмов обработки для системы в режиме ШП, согласованной с каналом распространения.

В задачах пассивной локации ковариационная матрица сигналов является функцией координат источника звука и неизвестных параметров, характеризующих излучение и распространение звука в океанической среде. Для каждого сформированного пространственного канала наблюдения формируется статистика обнаружения, которая сравнивается с порогом обнаружения, выбираемым исходя из заданного уровня ложной тревоги. Тогда, полученная из отношения правдоподобия в предложении нормального закона распределения статистика обнаружения представляет собой следующий вид:

где Р{ = + N^, _/" е , ^ - множество дискретных частот, и N^ - поля сигнала и помехи соответственно, - эрмитовы положительно определённые матрицы, которые ха-рактеризируют выбранную пространственно-частотную обработку («+» означает эрмитово сопряжение).

При использовании оптимального и локально-оптимального методов обработки сигналов требуются априорные данные о пространственных корреляционных и спектральных свойствах и помех, либо получение их апостериорных оценок. Кроме того, алгоритм предполагает наличие априорной информации о законе распределения шумов и сигналов. Возможен другой подход, являющийся развитием традиционных алгоритмов формирования характеристик направленности.

При традиционных методах формирования используется модель плоско-волновых фронтов, кроме того, часто в тракте обработки используется введение амплитудного распре-

деления на элементах антенны, согласованного с характеристиками полей помех (фильтр Эккарта). Поскольку на практике предположение о наличии плоских фронтов часто неверно, в работе сделана попытка ввести амплитудно-фазовое распределение, согласованное с передаточной функцией среды. При этом в качестве критерия сравнения алгоритмов допустимо рассматривать ОСП на выходе сформированного пространственного канала (ПК) или угла места (УМ).

На базе этого подхода и без учета ковариационной матрицы помех, используется мощность на выходе ПК антенны:

фт,Г ер)= У [Рг ® . [р{ ®Я<-»(/>)]

(5)

где Н( — матрица, элементы которой являются обратными значениями элементов

передаточной функции среды, т.о. она имеет вид

а передаточная

функция среды (функция Грина) соответствует

Ш*У

(1 = 1...ЛГ- номер эле-

мента антенны), Р; = +М/1 / - множество дискретных частот, и N^ - поля

сигнала и помехи в виде спектральной плотности давления соответственно, ® - оператор умножения по элементам.

Данный алгоритм представляет собой вариант согласованной обработки, поскольку в его выражении присутствует информация о передаточной функции среды. Алгоритм использует максимально возможное априорное знание условий распространения сигналов без дополнительных предположений о характеристиках полей помех. Работоспособность рассмотренного алгоритма зависит от правильного задания параметров передаточной функции гидроакустического канала.

Для согласованного метода обнаружения (для мощности, полученной на выходе антенны) возможно использование 3-х вариантов метода:

1. Вариант амплитудно-фазового распределения при полном учете характеристики

среды (функции Грина): = ^

2. Вариант амплитудного распределения при учете только амплитудной части (А)

(где задержки для плоского

функции Грина: Шп = £ ® Л<_1)(./\*)®е~"%(/'*)

/еГ тЛ

фронта).

3. Вариант фазового распределения при учете только фазовой части (Ф) функции Гри-

2

на (т.е. только формы волновых фронтов): 1Уп = ^

^»ф-'СЛ*

ОСП на выходе антенны представляет собой отношение по мощности: Рттд =-;

сг«

- среднее значение мощности при наличии смеси сигнала и помехи на входе антенны,

соответствует величине

щ,

2>/

среднее значение мощности при на входе антенны, Щ, соответствует величине = ^(/¿N2 ~Мт) ~ аналитическая оценка СКО при отсутствии

сигнала; Мыг ~ нецентрированной момент мощности; Иц\~ оценка математического ожидания.

В третьей главе приведены результаты сравнительной оценки эффективности предлагаемого алгоритма (для 3-х рассмотренных вариантов метода в главе 2). Моделирование алгоритма обработки гидроакустических сигналов реализуется в среде МАТЬАВ.

С помощью разработанной автором программы, реализующей предложенную в работе имитационную модель, созданы модели шумового сигнала и основных адаптивных шумов в районе исследования (см. рис.2,3,4,5).

Модель шумового сигнала

Модель динамических шумов моря

1... ....... ..'...

ш : : ||

¿••л; II Р

Ю Частота, Гц 10

Рисунок 2 - Модель шумового сигнала Модель шума дальнего судоходства

10 Частота, Гц 10 Рисунок 3 - Модель динамических шумов Модель гидродинамических шумов

10 Частота, Гц 10

Рисунок 4 - Модель шума дальнего судоходства

ю Частота. Гц Ю Рисунок 5 - Модель гидродинамических шумов

При задании исходных данных сначала моделируются вероятности обнаружения Гаус-совских случайных широкополосных акустических сигналов на фоне Гауссовской аддитивной помехи с помощью вертикальной линейной антенны. Антенна включает 40 гидрофонов, верхний приемник которой прогружен на глубину 10 м. Источник сигналов находится на глубине 40 м и расстоянии 8 км от антенны. Приведенные давления сигналов и помех на ча-

стоте 1 кГц соответствуют Р5=0.216и 1.562-10 3 (Па). Из результатов расчета выберем точки нахождения источника подводных сигналов с высокой вероятностью обнаружения (как правило, Р0бн > 0.7).

В результате моделирования представлен относительный выигрыш (или проигрыш) в ОСП для предлагаемых и традиционного методов обработки сигналов Радап(\,гз>)\Ртра& (гДе Рад<,л( 1,2,3) и Ртрад. ~ оценки ОСП в 3-х адаптивных и традиционном методах соответственно)

На рис.6, а,б,в показан выигрыш (или проигрыш) для рассматриваемых 3-х вариантов реализации алгоритма согласованной обработки по сравнению с традиционным методом в зависимости от глубин волновода (при истиной глубине 70 м) и усредненных уровней сигналов. В последнем графике (рис.6 г) приведено сравнение ОСП для всех методов при фиксированном значении глубины (на графике: линия 1 соответствует ОСП для фазового варианта, линия 2 - ОСП для традиционного варианта, линия 3 - ОСП для амплитудно-фазового варианта, линия 4 - ОСП для амплитудного варианта).

Вариант амплитудного распределения

Вариант фазового распределения

- -1 ____ -2

-••---------

у:

Рисунок 6 - Выигрыш/проигрыш 3-х адаптивных методов в сравнении с традиционным методом и сравнение ОСП

Видно, что вариант фазового распределения имеет самый сильный выигрыш в ОСП по сравнению с традиционным методом, чего не происходит в других остальных вариантах реализации алгоритма согласованной обработки (амплитудно-фазовом и амплитудном).

Выигрыш (/проигрыш) по ОСП обусловлен отношением между приращением сигналов и соответственным значением СКО. Выигрыш в случае фазового распределения обусловлен малым СКО, а в остальных случаях, СКО обладает большим значениям, отсюда возникает проигрыш в ОСП (рис.7).

Для других точек источника и других значений ошибок по глубине получим аналогичные результаты.

Вариант амплигудно-фазового распределения

с*»'*'

В традиционном методе СКО помехи=0.0016342

В варианте амплитудно-фазового распределения СКО помехи=0.019944

* усОва1»"

дар.*«*

Рисунок 7 - Приращение сигналов и оценка СКО

Среди 3-х выше описанных адаптивных методов, вариант фазового метода приобретает самый большой выигрыш по ОСП, поэтому подробно оценим его устойчивость.

При проведении моделирования в качестве приемной антенны рассматриваются две дискретные линейные антенные решетки с рабочим диапазоном частот 0.5-3 кГц, верхний приемник которых прогружен на глубину 20 м, и с разным количеством приемных элементов в 2-х линейках. Источник сигналов находится на глубине 40 м и расстоянии 8 км от антенны. На рис.8 показан выигрыш фазового метода по ОСП в сравнении с традиционным методом в зависимости от задания глубин волновода (при этом, точная глубина волновода составляет 70 м) и усредненных уровней сигналов для этих 2-х линеек (на рисунке: а - антенна с 30 элементами, б — антенна с 60 элементами).

На рис.9 приведено сравнение ОСП двух методов при точном задании глубины волновода 70 м для выше указанных антенн (на рисунке: а - антенна из 30 элементов, б -антенна из 60 элементов; линия 1 соответствует ОСП для фазового варианта, линия 2 - ОСП для традиционного варианта).

Выигрыш фазового метода Выигрыш фазового метода

по сравнению с.градиционным методом по сравнению с традиционным методом

Рисунок 8 - Выигрыш/проигрыш фазового методов (по ОСП) в сравнении с традиционным методом

х 10'

(!)

р§ !Ш! :!!ШШ:

/ ¿¿г 1.......

50 100 150

Усредненный уровень сигнал оа

50 100 150

Усредненный уровень сигналов

Рисунок 9 -

Сравнение ОСП двух методов для 2-х различных антенн при истиной глубины волновода 70 м

Как показано на рисунках, в обоих случаях фазовый метод дает заметный выигрыш по ОСП в сравнении с традиционным методом.

В первом случае, выигрыш достигает значения 5 дБ при точном задании глубины и наглядно падает при присутствии ошибок в оценке глубины волновода. В втором случае, ситуация такая же, однако выигрыш оказывается выше, до 8 дБ при точном задании глубины.

Чтобы оценить устойчивость данного алгоритма к ошибкам, вызванным неверной оценкой глубин волновода и скоростей звука, зададим ряд величин ошибки с малыми шагами. Моделирование проводилось для такой же антенной линейки из 60 элементов (как и на рис. 86, 96). На рис. 10а показано сравнение ОСП для этих 2-х методов при фиксированном значении уровня сигналов для истинной глубины 70 м и ошибки глубины с шагом 0.1м (линия 1 соответствует ОСП для фазового варианта, линия 2 - ОСП для традиционного варианта). Из приведенных результатов видно, что фазовый метод дает существенный выигрыш (по ОСП) в сравнении с традиционным методом при точном задании глубины волновода (ошибка по глубине равна нулю) и при ошибках определения глубины волновода до 0.5 м. При больших ошибках фазовый метод теряет выигрыш по ОСП по сравнению с традиционным методом и возникает проигрыш на небольшую величину. Аналично, на рис. 106 представлено сравнение ОСП для 2-х методов при фиксированном значении уровня сигналов для истинной скорости звука 1500 м/с и ошибки с шагом 3 м/с.

Координат источника Х=8.0 км, Z=40 м

Координат источника Х=8.0 км, Z=40 м

3

0

1

к

О

а)

-1 -0.5 0 0.5 1 Ошибка по глубине (с шагом 0.1 м)

3

о

б

1...... ".....

*

.......А/ ;Н:П2П=

£

б) Ошибка по скорости (с шагом 3 м/с)

Рисунок 10 - Сравнение ОСП для двух методов при задании ошибок по глубине и скорости звука

Ясно, что в этом случае, ситуация схожа с результатами рис. 10а, фазовый метод

показывает заметный выигрыш по сравнению с традиционным методом. Более того, даже

при наличии немалых ошибок по скорости звука, фазовый метод также имеет преимущество по сравнению с традиционным методом.

В работе проведена оценка устойчивости фазового метода к ошибкам по глубине путем анализа выигрыша ОСП для сетки точек источника в случаях задания точной глубины, и с ошибками. Как показано на рис.11,12 по оси абсцисс отложено расстояние от источника до антенной линейки, на оси ординат отложена глубина источника.

При точно« задании истиной глубины 100м раз При точном задании истиной глубины 70м

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Расстояние источника от антенны, м ' Расстояние источника от антенны, м

Рисунок 11 - Выигрыш (ОСП) фазового метода с традиционным методом при точном задании глубины волновода

При истиной глубине 100м и ошибке +2м

При истиной глубине 100м и ошибке -2м

яянр

: ..........•

И! Я дмю ж

.

НИ! ■ ¡¡в ! я

«1 т . ж я

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Расстояние источника от антенны, м

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Расстояние источника от антенны, м

Рисунок 12 - Выигрыш (ОСП) фазового метода с традиционным методом при задании глубины волновода с ошибками Из приведенных рисунков видно, что чем меньше величины ошибок по глубине, тем больше величины выигрыша фазового метода по сравнению с традиционным методом. При точном задании глубины (рис.11), выигрыш получен от двух до шести раз, даже более шести в некоторых координатах. Однако при больших ошибках (+2 м, -2 м на рис.12 а,б), выигрыш не заметен, падает до трех раз, и даже возникает проигрыш в некоторых местах, раз Чтобы точнее оценить устойчивость фазового метода, следует проводить анализ для более малых ошибок. При малых ошибках (±0.5 м на рис. 13а,б) выигрыш более заметен.

При истиной глубине 100м и ошибке -Ю.5м

Ж

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Расстояние источника от антенны, м

эаз

10

2.6 в 20

2 X 3" о 30

- 1.6 ¿0

к 1 го X 50

0.5 ю 60

70

0

При истиной глубине 100м и ошибке -0.5м

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 Расстояние источника от антенны, м

Рисунок 13 - Выигрыш (ОСП) фазового метода с традиционным методом при задании волновода с малыми ошибками

Таким образом, чем меньше величины ошибок по глубине, тем больше величины выигрыша фазового метода по сравнению с традиционным методом. При точном задании глубины, выигрыш достигает максимального.

По этому, следует обладать точным знанием о глубине при использовании фазового метода, и в целом, при применении методов обработки сигналов, согласованных со средой.

В четвертой главе проведен анализ методов согласованной обработки для разных законов распределения помех в качестве их амплитудной и фазовой составляющих. В результате полученных результатов оценивается устойчивость данного алгоритма и предлагается новое направление в дальнейшем исследовании. Выбор законов распределения базировался на имеющихся данных в литературе, а также возможностях пакета МАТЛАБ, в котором проводилось моделирование.

На рис.14 представлены результаты моделиро а) 4-х законов распределения с различными задачными параметрами: нормального закона, закона^ (после нормирования), закона Стьюдента (после нормирования), закона Накагами.

Оценка плотностей вероятности

О 035 0.03

Рисунок 14 - Плотность 0 025 вероятности различных типов закона распределе- 0 02 ния помех с различными 0015 параметрами

0.01 0 005

/ i \ По закону Н акагами {{5,1)

I i \ж' ..-Ло нормальному закону

I j V>- По закону Стьюдента (4)

¿fT ^ По закону Хи-кза£рат (4)

/1. \

i V i ......■;................ ...................

Амплитудная составляющая

С помощью созданной модели автором рассмотрена эффективность работы алгоритмов фазового варианта при различных типах распределения помех: поле шума судоходства - по

закону у^ (для амплитудной составляющей после нормировании); поле динамических шумов - по закону Стьюдента после нормировании; поле гидродинамических шумов - по закону Накагами. Приводится пример источника в точке (X = 8 км, Ъ = 40 м), истинная глубина волновода составляет 100 м. На рис.15 показаны результаты сравнения ОСП фазового и традиционного методов для 2-х методов в двух случаях: а) все поля помех распределены по нормальному закону и б) поля помех распределены по различным законам.

Срзононив ОСП двух методов

- По традицонному методу

- По фазовому (адаптивному) методу 0 05 С 1 015 С

Усредненный уровень сигналов

вменив ОСП двух методов

0.05 0.1 S.1S

Усредненный уровень сигналов

Рисунок 15 - Результаты сравнения ОСП традиционного и фазового методов 16

Результаты показывают, что фазовой метод является устойчивым к любым законам распределения помех с различными параметрами и имеет хороший выигрыш по сравнению с традиционным методом.

В настоящее время часто анализируется модель шумов как 2 части: амплитудная составляющая с распределением Накагами и фазовая составляющая с равномерным распределением в диапазоне (-л + л).

На рис.16 показаны результат моделирования в случаях, когда амплитудные части всех 3-х помех распределяющиеся по закону Накагами с различными параметров распределения: (рис.16.а: т= 1, т=1) и (рис.16.6: т=5,1^1) и фазовая часть с равномерным распределением в диапазоне {-л^я)

а)

Усрввнвньап» уэо»»*ь;

б)

Уерслхение-й уроае^г си пета О

Рисунок 16 - Выигрыш фазового метода в 2 -х случаев распределения Накагами (для амплитудной части) с традиционным методом

Приведенные результаты показывают, что фазовой метод является устойчивым к любым законам распределении помех с различными параметрами и имеет хороший выигрыш (по ОСП) в сравнении с традиционным методом. При изучении ГАУ в любом районе мелкого моря следует серьезно проанализировать свойства сигнала, помехи и точно выбрать законы распределении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационного исследования заключаются в следующем:

1. Предложено новое направление повышения эффективности СГАК, работающего в режиме ШП, основанное на использовании метода согласованной со средой распространения сигнала обработки.

2. Созданы имитационные модели сигнала, помехи и универсальная программа в среде МАТЬАВ, соответствующая требованиям поставленной задачи в условиях волновода Пеке-риса. Кроме того, предложенная имитационная модель может быть использована и расширена для других задач, связанных со обработкой сигналов в тракте ШП, в частности, для других моделей канала распространения, иных моделей полей помех или сигнала.

3. Разработаны адаптивные алгоритмы обработки сигналов, согласованные со средой распространения. Проанализирована эффективность работы 3-х вариантов согласованного со средой алгоритма: амплитудного, амплитудно-фазового и фазового распределений. На основе созданной программы проведена сравнительная оценка эффективности этих вариантов и

показано преимущество фазового варианта по сравнению с традиционным и другими методами, предложенными в работе.

4. Подтверждена устойчивость адаптивных алгоритмов, согласованных со средой, в различных ГАУ (в т.ч мелком море). Показана целесообразность их применения в некоторых практических ситуациях.

5. Исследована устойчивость адаптивных алгоритмов к различным законам распределения полей помех, воздействующих на систему, и показано, что новый алгоритм приобретает перспективы применения для любого типа распределении сигнала и помехи.

Все результаты, полученные в диссертационной работе, направлены на практическое применение в реальных ГАУ, в т.ч. для района мелкого моря Вьетнама, и обеспечивают повышение эффективности работы СГАК в режиме ШП на этапе первичной обработки сигналов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, включенных в перечень ВАК

1. Ермолаев В. И., Селезнев И. А, Буй Чыонг Занг. Анализ гидролого-акустических характеристик и расчет звукового поля в Северном регионе Восточного моря Вьетнама // Известия СП6ГЭТУ«ЛЭТИ», 2012, №10, С. 83-91.

2. Буй Чыонг Занг. Анализ и моделирование гидроакустических помех в районе залива Бакбо // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013, № 2, С. 77-86.

3. Селезнев И.А., Янпольская A.A., Буй Чыонг Занг. Обработка гидроакустических сигналов в стационарной системе шумопеленгования с учетом согласования со средой // Гидроакустика, 2014, № 19, С.93-98.

4. И.А. Селезнев, A.A. Янпольская, Буй Чыонг Занг. Оценка влияния закона распределение шумов на помехоустойчивость линейных антенн // Сборник трудов Научной конференции "Сессия Научного совета РАН по акустике и XXVII сессия Российского акустического общества", посвященной памяти ученых-акустиков ФГУП «Крыловский государственный научный центр» A.B. Смольякова и В.И. Попкова. (http://rao.akin.ru/Rao/sess27/proceedings27.htm)

5. И.А. Селезнев, A.A. Янпольская, Буй Чыонг Занг. Адаптивные алгоритмы обработки сигналов а режиме шумопеленогования, согласованные со средой распространения сигнала // Сборник трудов XII Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики»,С.86-89.

6. Буй Чыонг Занг. Методы обработки сигналов, согласованные с каналом распространения, для стационарной гидроакустической системы, работающей в режиме шумопеленгования // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2014, № 6, С.70-74.

Публикации в других изданиях

7. Ермолаев В. И., Буй Чыонг Занг. Моделирование помех и расчет акустического поля в ограниченно водном районе залива Бакбо использованием географических данных (перевод с английского языка) // Information Fusion and Geographic Information Systems (IF AND GIS 2013). Publisher: Springer Verlag (Germany). Lecture Notes in Geoinformation and Cartography 2014, pp 277-287.

8. Буй Чыонг Занг, Янпольская A.A. Об одном подходе к частично согласованной со средой обработке сигналов в гидроакустической системе ШП // Сборник трудов третьей молодежной конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (МАГ-2013), Санкт-Петербург, ОАО «Концерн «Океанприбор», (Санкт-Петербург, 09 - 11 октября 2013г.), с.34-37.3.

9. Отчетные материалы по НИР «Акула-ОП» (этап 2, 2013 г.), ОКР «Покров» (этап 4, 2013 г.), выполняемых ОАО «Концерн «Океанприбор» в рамках ряда ФЦП по заказу Минпромторга РФ).

18

Подписано в печать 10.09.14. Формат 60*84 1/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 92.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5