Методы пространственно-временной обработки гидролокационных сигналов в сложных сигнально-помеховых условиях при воздействии дестабилизирующих факторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

РГ г

нацюнальна академш наук укра1ни 5 од 1нститут г1дромехан1ки

J t.ífii ijс _■

.На правах рукопйсу

калшний олександр яксшч

методк про: topobo-4acoboï обробки г1дролокац1йних сигнал IB у сюадних сигиашю-завлдозих умовах при наявностi дестабiл13уючих фактор ib.

01.04.06 - Акустика.

Автореферат-дисертацИ на здобуття науковрго ступеия доктора ф1зико-математичних наук

ки!в 1995

Работа викокана в 1нстихут1. г1дроыехан1ки HAH УкраТни

Науковий консультант - доктор техн1чних наук,.

професор КРАСНИЙ Л. Г.

0ф1ц1йн1 опонекти: - член Ньв-йЬркоькоД АкадеыП Наук,,

доктор ф!вико-математичних наук, професор BOßK I.B.

академ1к АТН УкраТни, доктор ?ехн1чнкх наук, професор ПАБЛОВСЬКИЙ U.A.

доктор тсхн1чних наук, професор АЛЕЩЕНКО O.U.

Пров1дна установа:Кауково-виробниче oö* еднання

'."Квант", "• *

Захиот в1д6удеться " £>3 1996 р. о на вас1деня1 сп^д1аж1аоЕано! ради Д 01.04.01 в 1нститут1 г1дромехан1ки HAH Укра1ни за адресов 252057, Ки1в, вул. Желябова, 8/4. .

3 дисергац1ео можна ознайомитисъ у науков1й С1бл1отец1 1нституту г1дромекан1ки HAH У;кра1ки .

Автореферат раз1сланий

1996 Р.

Вчений секретар . спец1ал1аовано1 ради доктор тэхн1чних наук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОГИ.

Акгуальн1сть теми. Досягнення теорегично1 акустики у вивченн! ' ' npouecciB випром1нення,.поширення та.прийому акустичних хвильових . пая1в, а, гакож, прогрес у raayai електронгкй i обчисловально! тех-KiKH вЗдкривають принцшюво ков! можливосг! у вир1шенн! эадач прос-' торово-часово! обробки г1дроакустично! хнформацП. Серед таких задач найсИльш актуальною е створення систем просторово-часово! об-робга (СПЧО) г!дроакустично1 1нфорнац11, узгоджених ia структурою .. середовйща поширення ГХдроакустичних сигкал1в та эавад, тобто морських i океан 1чних Хв1Ш>овод1в. У широкому poayMiHHi термином . . "узгоджёння ia середовищем" визначають низку заход1в, спрямованих на максимально повне використання при виконаннГ просторово-часово! обробки г1дроакустичних сигнал1в сучасних ф!аичких уязлень про ме-хан!ами Ix геиера^П та поширення. При цьому спрощен! та неповн1 модел1 сигнально-завадово! обстановки, на якчх будувалися СПЧО по-передШх покол!нь, замПдаоться на модел1 б1льш складна, максимально найлиженх до реалыш умов та р1вня розвитку теоретично! акустики.

Теоретичн1 основи уэгоджено! ia середовищем обробки акустич-них хвильових пол!в сформувалися у середши 80-х рокхв в роботах Красного Л.Г., Бородка B.B., Барошйна В.М., Сазонтова А.Г., Фарфэль В'. А., Bagßeroer A.B., Kuperman W.A., Bucker H.B., Hinich M.J. та iHMiix В1тчиэняних i закордоннйх вчених. Але реальне BTi-лення 1дей узгодаено! ia середовадем обробки гальмуеться невир1шен-п1стю або ж недостатньою проробксю ряду теоретичних та прикладних задач. Головною ia них е проблема забесгечення ст1йкост1 уагоджено! обробки до' дестабШауючих фактор1в, тобто абереження стаб1Льно высоких показник!в II ефективност! при в1дхиленн1 у певних межах характеристик реальнлх сигналiE та вавад В1Д г1потетичних моделей. Причин для таких siдхилень 1снуе досить багато. Перш за все, це кестад1онарн!сть та неоднор1дн!сть самого середовгеда поширення сиг-нал!в I заЕад, зумовлена процесами мееомасштабно? циркуляцП океа-н1чних водних мае, припливними i внутр!иМми хвилями, океан1чною тypбyлeнтнicтю та 1нше.

1нша група дестайШауючих фактор1в пов'язана ia впливом сере-довища на умови функц!онування г!дроакустичних антен. Так, б1льш1сть г1дролокац!йних станц1й (ГЛС) розм1щуеться на рухомих нос!ях (судна та Kopaöai piBHoro класу i призначення, вертол1ти, П1дводн1 апарати

та iurni рухлив! платформи). Pyx hocüb у вааемодИ з рухоы водних мае вккликав. склади! коливальн1 рухи антен таких ГЛС. Най01льш характерней у цьому в1дкошешЦ приклад - суднов1 г!дроакустичн1. антенн в умовах ходу i качки нос1я. Заэнаюгь розхитувань п1д впливоы в!трового ¡свилованнк морской noBepxHi, приплив!в та морськик теч1й антенн й 1нших г!дроакустичних засоб1в (вертлхтннх, автономних i т.д.). Bei ui окладн! та часто неьпорядкован! рухи г!дроакустичнмх антен можуть породкучати додатков! флюктуац! г лол1в сигналов i завал на ixHiii приймаший апертур, в тому числ! й nerayccoßi. Kpiw того, поступальний рух носив- у неоднородному середоВ13д1 привводит до досить швидких BMiH й загально!.обстановки. . : , Третя група десгабШаукчих фактор!в аумовлена похкбками або не1деальй1стю роботы реальних техн1чних пристрой. Наприклад, поло хення та ор!ентац!я антен у простор! визначаеться а деякою помил-кою, яка эуиоЕлена похиб'ками нав!гац!йних та г!роскоп!чних систем нос!я. Приймадьн! еломенти антен та П1дсилювач1в мають- певний роз-кид амплитудно-частотних i фазових характеристик.. Обчислювальн! прилади СТЧО мглть к!нцеву роэрядн!сть ! т.д.

1гнорування гбо х. неналехне врахування цик фактор ib мохе сутте во noripiiinTH той пог геивний ефокт, який досягаеться за рах'унск уз-годження алгоритм1в обробки iв середовищем. 0днак,.'роб1т, присвяче-.них досл1дленню впливу дестабШзуючю: фактор!в на ефективн1сть'уз-годхено! обробки та заходам по усуненню або пом'якшекню ix негативно! д!х, б!дома'в1дн^сно небагато. Kpiw того, ц! роботи, носять роз-р1зненяй характер, комплексне досл1дження проблеми у л!тератур! в1дсутне. .

Метою роботи е створення теоретичных основ i Dospoöita приклад-них метод!г просторово-часово'! обробки. г1дролокац1йнг: сигналов у. екдадких сигнально-завадових умовах при наявносп сукупност! деста-б!л1&уючи^' фактор!в, аокрема-.

"- розробку вих!днкх моделей пол!в г!дрслока1ййних сигнал!в i завад в урахуванням складного поступально-коливального руху прий-мально-випром!иоочих антен та неоднср!днсст1 середовища поширення звуку, • .

- синтез на основ! вказаних моделей оптимальних та кваз!опти-мальних алгоритм!в. просторово-часово! обробки Пдролокац1йних сигнале;' • -

, - анагЛв ефектиьност1'оптимальн:и. та ьвав1оптамальних алгорит-

Mi в виявлення г1дролокэч1йних скгнал1в у екладьих сигналь но-аавадо-' вих уловах при наявност! сукупност! дестабШгуючих фактор1в; ■

- розробка адалтивних процедур прссторово-часоваi обробки г1д-ролокац!йних сигнэл1б, як! вабеспечуцть пристосування СПЧО до зм!н умов функц!онування, та анал!з- 1хньо1 ефективност!;

- розробка непараметричких процедур просторово-часово! обробки.' г!дролокац!йних сигнал!в, як1 забеспечуать нечу?лив1сть СПЧО до зм!н умов функц!онування, та анад1а 1хиьо'1 ефективност1; \

Наукова новизна роботи полагав в тому, ар: . 1. Еир1шена задала про поле зкустичного онгналу, абудденого рухаючиыся дасерелом на рухоыому приймяч!. Кав!дм!нув1д ран!ш в1-домих роб!т одержане р!тення справедливо для Шлып кирокого-кола ■ умов: рух кореспондуючих об'ект!в е багатокошюнентним та включае,-KpiM поступального й коливалън! складов!, врзхована неоднор!дн1сть середовиада поширеияя, а випром!нюваний сигнал може бути довольно! форми.

2. Досл1джено вплив руху антен на просторову корелядаю акус-тичних завад, як! д1ють на прикмапьну апертуру. Знаидейо умови, за ягшх поле завад на.рухом!й апертурх е ¡сваз!стац1онарним та кваз!од-нор1дним. ' . '

3. Сингеаовано оптамалън! та кваз!оптимальн! алгоритмн просто-рово-часойо! обробга г!дролокац!йних сигнал!в при наявност! деста-бШзуючих фактор!в, зокрема, поступально-коливального руху прий-мально-випром1нюючих антен.

4. Разроолено загальну методику анализа ефективност! оптимально та кваз1оптимальних алгорИтм!в виявлення г1дролокац1йних сигнал! в, яка; на в!дм!ну в1д ран!ш в1домих, може аастосовуватися при довьтьних, 'е тому числ! й негаусс1вських, флыктуац!ях пол1в сигнала 1 завад.

5. Дослдджено вплив сукупност! дестаСШзуючих фактор1в на ефективнгсть оптимальних, квазiоптимачьних та неоптимальних алго-ритм1в обробки г1дролокац1Йних сигнал!в, зокрема флдатуагдй ксмп-лексних ампл!туд променевих складових сигналу, лШйного руху та розхитування антен, паразитно! модуляц!! параметрiв сигналу, нега-уссовост! пол!в сигналу i аавад, та эапропонован! заход! по усунен-нн або пом'якшенню '¿х негативно! дП.

6. Розроблено алгоритма адаптивно! просгорово! обробки г!дро-локац!йних сигнал!в, як!, на в!дм!ну в!д ран!ш в!домих, побудован!

в урахуваиням дестабШзуючого впаиву розхитування ■ антен. ' •. 7. Вперше зроблено аиал1а мохливосг! адаптивного подавления локальрих завад у приймадьних трактах з нелШйною непараметричною обробкоа. : ■■ ' -

0бгруктован1сть результата та висновк!в роботи. Обгрунтова-н!сть оснобних. теореткчних результатов аабеспечуеться строг!стю постановки задач та математичних ыетодАв 'ix роаь'яаання, перевгркою. . sOiry у cneyiajibHiix окремих вияадках одержанкх piuieHb з вхдсмими результатами. .*■'.■

Рбгрунтован1сгь одержаних у робот1 р!тень прикладних задач та а роб л е них на 'ix основ! bhchobkíb аабеспечуеться контролем точност! обчксдень, а такок, шляхом математичного моделювання.

Практична ц1нн!сть. Виршення поставлених у дисертащйн!й робот! задач створюе теоретичн!' основи для побудови СПЧО г!дроакус~ тичнс! !нформацП для нових поко„ч1нь ГЛС, як! реал!зуються на но-в1тн!й едементн!й óaai, та дозволяе суттево п!двищити ефективн!стъ виявлення-г!дролокац!йнкх цыей. Зокрема,.. одержан! в диеертахц I результат« ааббсп^чують вир!шення таких прккладких задач:

-виб1р-та обгрунтування алгоритм!в просторово-часово! обробки ПдролокацШих. сигнл!в для РЛС, як! встановлен!.на рухомих hocí-

ях;

- BH6ip та обгрунтування типу i napaweTpiB зондуючих сигнагав з урахуванням ефекПв багатопрсмекевого поширення, ровс1яння у се-редовищ!, флюктуац!й характеристик ц!л!, спотворення сигналу внас-л1док розхитування антен та íhihhx дестабШзуючих фактор1в; •

- виб!р методики анал1за ефективност! СПЧО для широкого кола моделей сигнал!в та аавад;

- зиб!р та обгрунтування схем адаптивно! та непа^аметричво! просторово-часово! обробки, як! забеспочуютъ як пристооування СПЧО до 3MÍH уь:ав Функи!онування ГЛС, та-с i нечутлиЕгсть до ряду деста-бШзуючих чинник1в.

'. Алробац!я роботи. Основн! рез'/лътати дисертацП були представлен! у pisHi пер!оди часу на сем!нарах VII науково-доел]дного в!дд!лення НЮ '.'Славутич" (Ки!ъ, 1S81 - 19? pp.), IV-ík (Ки!в, 1S83 р.), VII-íh (Вельци, 1989 p.) та VlII-iñ (Таганрог, 1990 p.) м!ягалузевих науково-техк!чних конференциях по метода}.! .1 зассбам цифрово! обробки г!т(роакустично1 iH^jphauli, м1жгалугев!й науке э-техн!чн!й конференцП по методам та оасобау цифрово! обробки радш-

локац1йно! 1нформац1Т С Ки1в, 1990 р.), допов1дались на 10-ой та ."■> 11-ой Всесоизних акустичних конференц!ях (Москва, 1983, 1991 рр.), на V-1A Далекрсх1дн1й акустичн1й конференцП (Владивосток, 1989 ).

У вак1нченому виглад! дисертац!йна робота допов1далася i обго-ворювалася на Республ1кансъкому сем1нар! по г!дроыеханиц1 у 199S р.г (кер1вник сем1нару - академ1к HAH УкраТни В.Т. Гр1нченко). ..

ПубликацП. По тем! дисертацИ опубликовано б1льше 40 статей . у наукових журналах та науково-техн1чких'вб1рниках, дв! монограф!I, одержано 4 авторських св!доцтва. Матер1али дисёртацП в!дображен1 у 20 науково-техн1ч'них зв1тах по НДР i ДКР, виповнених за участю -автора за пер1од 1981-1994 рр. у НВО "Славутич". В к!яц1 автореферату наведено список а 21 основних роб1т. -------- '.■__■.

В монографП »[ 1 ] автором самост!йно-1 на ochobI власних наукових матер1ал!в написан!' главй 7 та В, в монографИ С 21 1 - глави 2 та 3.

. •" Структура 1-обсяг дисертацИ. Дисертац1я склад азться 8 вступу, чотирьох глав, висновкШ та списка. л1тератури. Загальний обсяг ро- -боти станов1ть 348 стор1нок машинописного тексту (основний вм1ст -268 стор.) i вклочае 61 стор1нок 1люстрац1й та 4 таблиц1. . Б1бл1ог-раф1я мЮтить 138 пайменувань. ,

.Автор висловлюв глибоку вдячн1сть своему науковому гсэнсультан-ту пров1дному науковоку сп1вроб!тнику 1нститута г!дромехан1ки HAH Укра!ни, доктору техн1чних каук, професору Красному Леон1ду Григоровичу за пост1йну увагу до роботи та ц!нн1 поради при il написанн1.

ОСНОВНИЙ 3MICT РОБОТИ

У вступ! сформульована мета дисертац1йно\ роботи, обгрунтована П актуальн!сть, наукова новизна та практичне значения. Коротко. .. викладено зм1сг роботи по главам.

Перша глава присвячена розробц! моделей г1дролокащйних сигна-л1в 1 завад в умовах складного поступально-коливального руху прий-мально-випром1нюючих антених систем. Вир1щена задача про поле акус-тичного сигналу, абудженого рухаючимся джерелом на рухомому прий-мачи. Под1бна задача вже розглядалася в роботах Howker К.Е. (1979), ЛейК1Н Д.Е. и Мальцев Н.Е. (1982), Богушевич А.Я. i Красненко Н.П. (1988), Осташев В.Е. (1988) та 1нши, де одержано рШення для-ситу-ац!й, коли сигнал е гармон!йним, а рух джерела i приймача - лШй-ним i в1дбуваеться паралельно межам хвильовода. У ц!й робот1 роз-

.' глядаегься'б1лып складна модель руху кореспондуючйх об'ект1в, яка ' включае кр!м поступального й складн1 коливальн1 рухи антен, а вип-ром1нюсаний сигнал може бути. эыльно1 форми.

Роэглянемо геометр!ю' задач!, покааану на мал.1. Випром1ню-юча антена, яка займае область простору 2>в • вва~ жаеться звукопрозорою 1 скла-даеться а незалежних елемен-тарних точечних випром1нюва-ч-1в (ЕВ). Положения у просто-р1 кожного ЕВ задано в1дносно фазового центру випром1нюючо! актени (ФЦВ) радиус-вектором гв €. 2>я ' • Антена зв'язана

j J <

кал.!.; Геометр!я задач!.

■ . .з деякою системой координат

К . , в'як1й положения .ФЦВ визначаетьс'й рад1ус-вектором À?в В своп чергу, система к' перем1щуеться в1дносно нерухомого сере-довища, причому, II рух складаеться s двох компонент:

- Л1н1йних перем1щень початку координат о' по. траектор11, яка описуеться в абсолютн1й ,тобто пов'язан1й 1з середовшдем, систем1 координат К вектором jÔe (t ) ;

- розхитувань счстеми в!дносно точки о', як1 можуть бути описан! деякою матрицею поворот1в 7te (i ) .

Поточи1 координати ЕВ в абсолютна систем1 координат утворювть вектор '

) + л* (*)(*** za) . (1)

, В1дносно приймально! антени приймаються аналог1чн1 припущен-ня, а урахуванням яких координата елемейтарного приймача (ЕП) можуть бути запиеан1 у вигляд!:

(2) '

де бс! величини' аналог!чн1 за зм1стом введении вище, але в1дносять-- ся до област1 прийому. - ; ЯМЦО

не цим'ЕВ у деяк!й точц1 -о" нерухомого серэдовшца, п!длягае хвильовому р!внянню

(ъ /г6)- сигнал, зб/джуючий ЕВ, то поле, створюва-

л и (*,//*<) - ф §р

= -йл 4) а ¿*)-/ ) «

1 сукупност! крайових умоз, в1дпов1дних заданону типу хвильовода. Р1шення задач! (3) моле бути представлена у вигляд!:

„ ЧГ (со,/.//*{*- г, г *))е

де (со,///' ) •• фунюця Гр!на крайово! задач!, в!дпов!д-на нерухомому джерелу.

Сигнал, який д!е на ЕП, роаташоваиий у точи! э координатою £ Ъп в!дносно фазового центру приймально! антени (ФЦП), може бути знайдений в сп!вз!дношення

г"/г'в ) = «(*,/"(*>

а урахуванням якого !а вираау (4) виходить:

ос'

4 (Ь гу г* ) = Л. д ^ г/г') -

' JC¿Z , (5)

- <$(*>,/а(*. г")*а))е ^^ ■

Вираэ.(5) в!рний для будь якого типу хвильовода ! дов!льних сигнал!в. Дал! вважаеться, що спектр випром!гаованого сигналу обме-жено за смугою д!апазоном частот, в якому можна скористуватися прр-меневим наближенням для функц! 1 Гр!на:

де Ь = Ь (/>) - загальна к!льк!сть енергётично значущих ; променевих траекторий, як! пов'язують точки! ,

~ в!дпов!дно амплитуда ! час поширення сигналу по -г -!й променев!й траекторП. Тод1 п!сля постановки (6) в (5) ! виконання штегрування приходимо до вираау

Дв . rg. г р1шення р1вняння

(8)

.вхдносно часу аатримки •¿'-го ;промегя.

Страге р1шення р!вняння (8) у эагальному випадку одержати не вдаеться. У звя'аку а цим в робот! приймаються так! спрощуюч1 при-пущеккя: . . .. ' о

а) пришач энаходитьса у далекому noil джерела;

б) поступалъно-коливалъний рук джерела 1 приймача на обмежених часових 1нтервалах аам1ш)еться поступально- обертовиы.

Тод1, вир1шуя р1вняння (8) та п1дсгавляючи одержано р1шення у сп1вв1днешэиня (7), приходиш до иаступного эображення поля сигналу, збуджуваного рухаючимся дхерелоы на рухомому приймач!:

^ (t, £7?*) <4

г" п& у*

/ V u-t - * * \ + - * * ) (в)

де et* ~ jd ~ с^ е5 У,z Г* ~ ■ашш1тУДний' коеф1ц!ент, я кий враховувдодаткову. спрямован1сть джерела внасл1док руху, jo в , J>" - положения центр1в координатних систем К ' 1 к" на моменти початку випром1нення та початку прийому в!дпов1дно,

= ) . -y-J? , у~£ - реаультуюч1 швидкост!

джерела 1:приймача.а урахуганняы ycix компонент руху на моменти початку випром!нення i початку, прийому в1дпов!дно, fe* ; nÇ -

орти напряму виходу -С. -го лроменя в точц! випром!нення- та його входу в точц! прийому, г/ , " вектора, як1 визкачають по-

ложения ЕВ 1 ЕП в!дноско деяко! умовно! точки, в як!й знаходилися би в1дпов!дно ФЦВ и ФЦП на момента початку випром1нення та прийому за умови в!дсутност! роахйтування антенн, сл , с„ - швидк1сть звука на горизонтах Еипром1нення та прийому,

Ы Гх")/иЦ'Г/) ¡'од.

- коеф!ц!ент зм1ни часового масштабу -С -го променя.

Дал1 на основ! решения задач! про поле прямого сигналу розгля-даеться задача а трьома кореспондуючимк об'ектами: "випром!ншча актена - ц!ль - приймальна антена". Для цього.сп!вв!днотення (9) ' використовуеться у два етапи: на першому, роаглядаючи рухаючийся по т!й же граекторП, що ! ц1ль,'неспрямований приймач, знаходимо па-даючу на цыь хвило, на другому •• розглядаючи ц!ль як джерело вто-ринного вииром!нення, яке мохе бути описане своею 1ндикатрисою розс!ювання, одержуеш в1дбиту в1д ц1д1 хви^. Загальний ефект !з урахуванням дП повно! випром!нюючо1 апертури анаходиться шляхом ¡'нтегрування по ам!нн!й 2 е 6 £>& ■ В результат! одержана така модель поля сигналу на приймальн1й апертур!:

де - тис: на ос! випром!нювача, , - к!льк!сть промене-вих траекторий на трасах прямого та звсротнього поширення сигналу в!дпов!дно,

') (12)

- едементарний сигнал, який поширюеться по (-е* )-!й променев!й траекторН, £ ) .) Зс ) ~ комплексно анал!-тичне зображення эондуючого сигналу £ ^у, £{{)- перетворення Пльберта сигналу ) > ° " '

. в а ц в п ' / -»л \ Лек в < < А* Дс ) (13)

- результуюча комплексна ампл!туда,

■ - - 5г- 47г«"- £*//;* <">

- сумарна аатримка,

_ г* г" (15)

- эагалький коеф!ц1ент часового масштабу елементарного сигнала (12).

>_:' .

- ревультуюч! вектори напрямк!в виходу 1 входу промен1в сигнала при випром1ненн1 та прямом! в!дпов!дно. .

В сп1вв!дношбннях (12) - (16) Сч - швидк1сть звуку на горизонт! ровтаауванна цШ, , сС* - коеф!ц1енти гм!ни амплитуди внасл!док. руху випромЛнювача та Ц1л1, , т^ , ~ ампл!-туди, затримки та напрямки виходу промен!в на трас1 прямого поши-рення, Д^ , X/7 , - аналог1чн1 параметры, як! в1дпов!дають звоткьому поширенню ) - нормозана д!аграма спрямовансст!

(ДС) випром1нввача, &

(17)

- коеф!д1бнти зм1ни часового масштабу прямого 1 в!дбитого сигнал!в в!дпов!дг , де /г*, /г* - ортк напрямкхв входу-виходу променяв у точц! знаходження цШ,

* ' * ~ сп - п; г/ (18)

- флюктуад1йн1 складов1 затримки, породжен! розхитуванням антен,

, Л'" - матриц! повороту вшром!нюючо1 та приймально! ан-тек на моменти початку випром1некня та прийому в!дпов1дно, £1

- единична матрица. •

Елементарн! сигяали (12) входять до складу повного поля сигналу (11) з деякими комш-зксними ампл!тудами , як! вважаються випадковими 1 введен! до модел1 з метою урахування випадковост! 1н~ дикатриси розс!ювання ц!л1, розс!шчих властивостей середовища, по-хибок техн1чних пристро!в та 1нших фактор1в. Таким чином, запропо- ;. нована модель поля сигналу дозволяв охопити основн1 умови гЛдроло-,1 кац!йного спостерелсення. При цьому, на в 1дмиг/ в!д ран1а з1домих моделей для стащонарнох снтуацп, ъсг параметр;: моделх (11) обчис-люються а урахуванням параметр1в руху кореспондушюс об'ект1в.

Для вир!шення пос-тавлених у дисертац1йнз1й робот 1 задач кр1м , модел1 поля сигналу розроблена модель голя заЕади, характеристики яко! також аалежать в1д руху антен. Вважаеться, що завада.на апертур! приймально! антенн складаеться з власних шумхв ГЛС, .яка неко-рельован! пом!мс Ш, та зовншких акусткчних эавад (шуми в1трового хвилювання поверхн1, реверберацпиа ! локальн! завади). Показано, ¡до поле зазад на- рухом!й приймальн1й антен1 а у загальноыу випадку нестад!окарним та неоднср!дним нав1ть при с__щ!онарност! та одно-р1дясст! поля завад У зовншнъому середовищ!. Однак, при тих же припущеннях, як! булк зроблен! при розробц! людел! поля сигналу, поле згвад на обмеженкх. у простор! ! час! апертурах в кваз!стац!о-нарним та квазюднор^шш нав!ть при стадному рус! антен. В рабо-одержано, вираа для функц!! просторово! кореляцП поля аавад, дЬ ючих на рухому приймальну антену: . ..

1 -п

де (со, гг ) - частотно-утлозий енергетичний спектр поля за-' вад у нерухомему середозиц!, п . - орт напрямку в стандарта!й сфе-ричн1й систем! координат, - поверхня сфери одиничного рад1уса.

На основ! вираау (19) зроблеко анад1з впливу р1аних компонент руху на просторову кореляц!» поля завад. Показано, щр для реального д!апазону вшидкостей руху антен ГЛС лШйна складова руху в!д-чутна лише при наступних умовах: частотно-угловий спектр поля завад в дискретним, джерела сигналу та завад роаташован! уздовж напрямку

¿о

— , п

. 1 +

ъх с" ^ (19)

руху,'розм1ри приймально! апертури максимальн! по напряыку руху. В . 1шюи вкладках (для завад а ггтдким частотно-угловим спектром, для ' антен, разм!ри яких уздовж надряк. г/ руху мал! 1 т.д.) Енесок'лШй-ко! складово!. руху антенн у ам!ни кореляц!йних характеристик завали незначн!, В той же час, розхитування приймально! антенн у пол! вертикально-ан!аотроаних завад, утворених сукушистю шум!в моря та реверберацП, веде до значких вар!ац1й просторово! кореляцП завад на прт"мальн!й апертур!, що мае суттевий вплив на ефективн!сть • просторово! обробки Пдролокащйних сигнал:-.

Подальша конкретизац!я ыодел! та анализ умов П аастосування проведено на приклад! г!дроакусткчних антен суднових ГЛС в умовах . ходу 1 качки нос!я. Разроблено модель руху антен, яка включае поступавши рух, бортову, к!льову, вертикальну качки та рискання судна. Проанад!зовано похибку за рахунок зам1ни поступально-поливального руху актен р!вном!р..им поступально-обертовим. Показано,.шр така за-м!на можлива, якшр результуюча в!дстань,'пройдена кореспондуючими об'ектами аа час дП сигналу Т , не перевишуе 1-2 добжин хбиль. Зокрема, для. типових умов функц1онування ГЛС припустиме значения т лежить у д1апааан! (0,1 - 0,5) сек. В межах вказаних часових !нтервал1в сигнал, який приймаеться по кожн!й !а променевих тргек-тор!й, збер!гав основн! модуляц!йн! ознаки аондуючого сигналу. Ягаао ж тривал1сть сигналу 7" перевищуе вказан! границ!, то необх1дно враховуватн паразитну модуляц1ю його параметр!в - коеф!ц!ента часового масштабу та аатримки.

В работ! досл!джен1 характеристики паразитно! модуляц!! в за-лежност! в1д динам!ки судна, напрямку ор!ентац!1 ДС антен, окремих компонент руху. Показано, щр най01льш суттеве в умовах качки спот-ворення характеристик сигнал1в в!дбуваеться в траверзних напрямках прийому. При цьому основний внесок у паразитну модуляц!ю сигналу для поздовжн!х напрямк1в прийому припадав на к!льову качку, а для траверзних - на бсртову качку та рискання нос!я-

У глав!" 2 для моделей сигнал!в 1 аавад, рсзроблених у глав! 1, синтезовано загальну структуру функц!онала в!дношення правдопод!б-ност!, на основ! яко! одержано оптимальний алгоритм виявлення г!д-ролокац1йних сигнал!в у складних сигнально-завадових умовах при наявност! дестаб!л:.зуючих фактор!в, зокрема, поступалько-коливаль-ного руху антен. Оск!льки вкаглвдок вплкеу дестабШзуючих фактор!в частина параметров сигналу е випадковими величинами, то синтез про-

всдився у два ётали. Спочатку ааписувалось умовне в1дношекня прав-цоподКЗност1 обчислене за умови, що сумарний вектор

дараыетр1в сигналу у" точно в1домий:

.1 ■ • :- ^ ■ • ' . це ^ - вектор, складений за певним правилом з комплексних ампл1-

гуд промен1в и ■ .

' ^ р* {$ ¿¿(^г)в(кг (21)

- вектор вих!дних напруг парШальних канал 1 в об робки променевих зкладових сигналу, ( - Хнтервал обробки, , ^ - спект-

ральн1 щ!льност1 потужност! власних шу'м1в ГЛС та зовн1шн1х аавад з1дпов1дно, в (?> ъ) - векторне поле опорних функц1й лШйно! ^аотини обробки,•як! аадовольняать систем1 1нтегральних р!вняиь

х в (*', г') +3«) ^ * >' (22)

(. ) - просторово-часова кореляц!ина функц1я аовн1шн1х аавад, ~ векторне поле, складене а елементарних сигна-

ла (12), - вектор, спряжений вектору (21),

О _ С \' « а. ?) в Ч*. ?)

4 ¿Г.У £ (23)

- ерм1това матриця, яка аб!гаеться а точнАстп до пост!йного множни-ка а кореляц1йною матрицею компонент вектора (21) у ситуацП в1д-зутност! сигналу, у^в - вЛдношення енергИ сигнала в точц! випро-«1нення до 1нтенсивност1 аавад на приймальн1й антен! (так зване в1дношення сигнал/завада на вйпром1нювач1.)

Дал! враховувалась випадков1сть ряду парамзтр1в поля сигнала, для чого викорисговувались два методи. Перший метод полягав в усе-редненн! умовного в1дношення правдопод1бност1 (20) по випадковим параметрам сигналу, до числа яких були в!днесен1 вектор комплексних ампл1туд промен!в у та початкова фаза генератора зондуючих соткана у^ . Для комплексних випадкових величин п приймався бага-

том!рний гаусс1вский закон роапод!лу !мов!рностей, а для фази га - р1вном1рний на !нтервал! (0В результат! одержано наступ-ний вираз для функц!оналу оптимально! обробки поля «гнала;

де т. - вектор матепатичних с: эд!вань, а V - кореля^йна матриця комллексних ампл1туд промен1в г? , 2~а ^) - модиф!кована фуккд!я Бесселя.

Другим метод синтезу базуеться на використанн! оц!нок макси- . мадьно! праЕДопод!бноста невадомих параметр1в поля сигналу. Шдста-новка таких оц1нок.в умовне вЩношення правдопод1бност1 (20) приводить до функц!оналу сбробки

- "Г/ л'* с • <25)

. = А <5 р ,

який мае,-як понаааяо у робот!, асимптотично оптимальн! для сильних сигнал!в властивост! при дов!льних негаусс!вских флюктуац!ях вектору комплексних шил! уд промен!в ^ . ...

Таким чином, яезадежно в1д методу синтеза оптимальна обробка вшшчае в себе сп1льне ядро - л1н!йну обробку за алгоритмом (21). Зм!ст ц!е! процедур«'полагав у формуваны парщадьних каналов, як! узгодхен! з в!дпов!днши променевими складовими (12), формуючими поле сигналу (11). Дал! виходи парщадьних канал!в повинн! нагро-маджуватися ва алгоритмом (24) або (25). Однак, при сильних сигналах, як! типов! для г!дролокац!йних систем, досгаткьо обмежитись розглядом асимптотично оптимального алгоритму (25).

Показано, що за припущенням широкосмуговост! завади функцЮнал л!н!йно! оиробки (21) може бути представлено у вигляд! посл!довнос-т! двох функц!онал!ь. Структура першого !з них

¿4 = Л [ о*

— V ^ , (26)

г ¿п.

не залежить в!д типу та параметр!в зондуючого сигналу. Тому функц!-

онал (25) може бути названо алгоритмом просторово! обробки.. Специ-ф1ка ж випром!нюваного сигналу зраховуеться на заюзочному етал1 часово! обробки, яка описуеться функц1оналом

ЗИдно.з алгоритмом (25) просторова частина оптимально! обробки включав до себе затримку реал1з.ац1й поля, як! спостер!гаються у кожн1й тсчц1 прийому, на час

°п с„ - Т2 • (23)

Загриман! реал!зацП поля Шддаютъся дал! ф1льтрацН ! п!сля п!дсу-мовування по вс!й приймальн1й апертур1 формують вих!дну налругу в1дпов!дно1 ДС, к!льк1сть яких вмзначаеться числом променевих траекторий /„ на трас! зворотнього поширення ехосигналу. При цьому 1мпульсн1 перех1дн! характеристики ф!льтр!в задовольняють систем! !нтегральних р!внянь

г] ь««*')'

0 — г„

> (?-?)> К'-*)*"'*"

= ■ СЕВ)

Часова частина обробки (27) зводиться до узгоджено! ф1льтрац11 напруг (26) з коп1ями аондуючого сигналу, часов! масштаби яких приведено у в!дпов!дн!сть а параметрами променевих'складових з ураху-ванням як прямого, так ! зворотнього поширення.

При зовн1шн!й схсжост1 функщонал!в (26),(27) з в1домими ран1ш для стац!онарно1 с!туац!1 ц! алгоритми м1стять ряд параметр!в ! функц1й, як1 залежать в!д параметра руху антених систем. Так, на в!дм!ну в1д стац!онарно1 ■ ситуацП, затримки (28), як! вводиться для

компенсацП антени на заданий напрямок прийому, обчислюються, по-лерше, з урахуванням поточно! матриц! повороту приймально! антенн /гп , по-друге, не по швидксст! поширення звука у середовищ!

сп ■ , а по швидкост1 поширення ,.вил! по в!дношенна до рухоыо! антенн Сп ~ Г/ .. Аналог1чн! 8м1ки параметр1в торкаються 1 'система р1внпнь (£9), де, кр!м того, 1накше, н1ж у стац1онарн!й си-туацН, повинн!-обчислюватися й кареляц1.йн1 характеристики аовнШ-них аавад. В алгоритм! часово! обробки (27) параметри коп!й зонду-г'чого сигналу залелать в1д параметр! е. руху ус!х кореспондуючих об'ект1в, а матриц! вагових коеф!ц!ент!в в алгоритмах (24) ! (25) обчислшться' з урахуванням руху антен та- характеристик флюктуац!й поля сигнал/. . •

Розроблено методику анализа' ефективност! оптимальннх та кваз!-оптимальних алгоритм!в виявлелня одролокадШшх сигнал!й у склад-н1й сигнально-зйвадов!й обстановц!, яка базуеться на використанн1 наблнжено1 формули т

/ \'~4 Ж™*' ^

р(?Ы1/ае}~ 1 ~ —

: г(тх ) ' (30)

де ■ - анал1зубмий функд!онья обробки, Л. - пор!г виявлегня X. - формальний параметр с1туацП, який дор!внюб 0 при в1дсут-ност1 сигналу ! дор!рда 1 при його наявност!, /"(о*, ^) , Г1{<*>) - неповна та повна гамма-функц1я в!дпов1дно,

■■■ ' ' Я*

- параметри, пов'язан1 з першими двома моментами досл!джувано'1 статистик! при г!потез! зе. .

Показано, що !з аадов!льною для прикладних потреб точн1стю формула .(20) може бути використепа при обчисленн! 1мов!рностей фальшивих тривог ( зе - о ) та правильного виявлення сигналу ( ее. - 1 ). широкого класу знакододатн!х функц!онал1в обробки при високих порогах виявлення та сильних сигналах. При цьому одержано добрий з01г з в ! дом. ми у л!тератур! результатами для ряду спец1аль-них окремих випадк1в.

При анал!а! ефективност! виявлення сигнал1в аг!дно а даною " методикою поряд з традициями параметром - в1дношеиням сигнач/зава-да на виход! приймальяого тракту, використовуеться додагковий параметр - 1ндекс мерехт!ння сигналу. Цеи параметр дозволяб врахувати характер флюктуац1й сигналу, породжених умовами на трас1 поширен-ня, вэаемод!ею поля сигналу 1з ц!ллю, складнкм рухом приймально-випром!шоючих антен, щр суттево розширюе межи застосування запропо-нованого методу у. пор!внянн! з в!домими ран!и.

- Запропоноваяа загальна розрахункова схема для обчислення !н-тегрального показника ефективност! анал!ауемих систем - порогового в!дношення сш иал/завада на випром!нювач! (уМл А«./? • Чей показник 1 дозволяе врахувати як використання енергетики сигналу, так ! ста-тистичн! характеристики вих1дно! напруги СПЧО.

Прланал!аована ефективн1сть алгоритм!в оптимально! просторово-часово» обробки г!дролокац!йних сигнал!в для ряду моделей флюктуа-ц!й комплексних амшЦтуд промен!в при використанн! простих та складних сигнал!в. Показано, щр для однор!дних нез'алежних гаусс!вс-ких флюктуац!й промен!в складн! сигнали заСеспечують на (1 - 4) дБ б!лья високу-аавадост!йк1оть, н!ж прост1 сигнали, м пояснюеться фактором крашрго розр1аненкя промен!в аа величиною аатримки. При гаусс!вских "дружних" флюкгу'ад!ях,ефективн!сть виявлення сигналов на фок! власних шум!в ГЛС в!д типу сигнала не эалежить 1 г!рше у пор!внянн1 !а' випадксы незалежних флйктуац!й на (4 - 7)дБ. Розгля-нуто також модель негауссовкх флвктуац!й комплексних а)шл1туд про-меи!в, яка враховуе явшца рсзс!ювання сигнал!в у сереДовиц1 та характеристики ц!л1. При цьому ефективн!сть виявлення сигнал!в у по-р!внянн! з гауссовим випадкоы додатково пог!ршуБТЬся на (1,5 - 3) ДБ. - /

Бикояано анал!а ефективност! просторово! обробки сигнала в умовах л!н1йного руху антен. ЗИдно вир&эу (28) фавування антени у цьому випадку повинно зд!йснюватись не по швидкост! поширення ввука у середовшц1 С г? , а по швидкост! пош!реняя хвил! по в!дйошонню до рухомо! антени сп - гг£ . В !снупчих ГЛС ця обставина дос! не враховувалась, що, взагал! кажучи, призводить до розфазування антени та пов'язаним !з цим втратам ефективност! виявлення сигяа-л!в. Анал!а, виконаний у дисертац!!, показав, щр так! зтрати в1д-чутн1, коли, по-перше, напрям приходу' сигнал1в або завад близький до напрямку руху, по-друге, разм!ри приймально! апертури максималь-н! вздовж напрямку руху.

СигнУэ»в»да, дБ

-5

-18

-15 -

-28

.......1- v !...........:

а

N2

0

Нал.2.

1&

1 -2 -

28 38

ХанА.ром.^в,

га* з - з&

Ё^екти, аумовлен1 л1н1й-шш рухам приймалька! антенн, про1лхютрован1 для практично вежливого випад-ку горизонтально! л1н1йно! антени, яка перемШуеться вздовж осьового налряику, коли джерела сигнал1в 1 завад розталюван1 по ходу руху антени. На мал.2 показан! втрати у пороговому в!дношенн1 сигнал/завала на випром1нювач1, аумовле-н1 1гноруванням фактора лШйного руху при вико-нанн1 фазування антени. Графики мал.2 одержат для випадку виязления сигналу, який приходить п!д кутом 3° в1дносно ос1 антени, на фон! локально! завади, джерело яко! роаташовано по ходу руху антени. 1з мал.2 видно, щр нав1ть при пом!рних швидкостях руху (3>- 5) м/с втрати, в залежное-т! в!д хвильового розм!ру антени, досягають в1д 2 по 7 дЗ.

• Проанад1зован1 також додатковг можливост! для покраш&ння роа-р!знеяня променеьих асадовнх сигнала у системах часово! обробки, як! з'являються внасл!док лШйного руху приймально-випром1иочих . анген. Показано, ш,о при асиметрИ напряык1в приходу променхв вхд-носно яапрямку руху антени розр!знення променевих складових сигналу мсасливо за ознакои !х часового масштабу. Зокрема, сприятлив! у цьо-му в!дноиени1 ыожливоот! з'являються в гхдродогоакустичних уювах а канадьним поширенням авуку. Бокращання роар!знення промен!в ткы-аначн1ше, чим б!льие кут м!ж напрямком ;уху та напрямком приходу сигнала.

Цро1люсгрована зачехн1сть ефективност! виявлення сигнал!в в умовэх руху в!д типу та параметров вшром1нюваного см нала. Один э приклад1ь наведено на ыал.З, де показана залежн1сть в!д швидкос-т! руху горизонтально! лШшкн антени для сигнал1в чотирьох тшпб; тонального (крива 1) та складного а лШйною частотною модуляц!ею (ЛЧМ) 1 коёф1ц!ентами складност! 300,600,1000 (крива 2,3,4 в!дпо-в1дно).. Розрахунок виконано для типовиХ морськил г1дрологоакустич-

58

56 -

(ОигнУзавл.Аа)пор.. дВ

54

52

них умов 8 м1лководниы каналом поширення звуку. 1з аростанням у ефек-тивн!сть.виявлення сигна-л!в зростае (тобто, поро-гове в1дношення сигнал/за-вада падае) внасл1док кра-щого розр1знення промен1в сигнала з умовах руху. Досл1джено ефектив1псть оптим!зацИ простороЕо! обробки г!дролокад1йних сигнал!в на фон! верти-калъноашзотропних завад (шум1ь моря та ревербера-щ 1) в уморах розхитування антен. Показано, ¡до розхитування приймально! антени породжуе значн1 флюктуацП у час1 кореляцпших характеристик аовн!шних завад на II апертур1, що, в свою чергу, приз-водить до залежност! ефективност! вилзлення сигнал^ в1д сп!вв!дно-шення м1ж моментом приходу сигнала та фазами коливальних рух!в. Вказана обставила призводить" у ряд! Пдрологоакустичних умов до значного падхння ефективност! опташзацП просторово! обробки у по-р!внянн! з в!домими в л!тератур1 оц1нками, я>а було одержано для

стац!окарно! ситуацП.

8

10

Пал .3

28

и.

38 м/'с

<Сигн./запада)пор, 65

аб

—I—

¿8

Так, на мал.4 наведена залежи! с ть в1д часу для вертикально! л!н!йки ЕП, встановлено! вздовж тв!р-но! судново! цил1ндрично! антени в умовах качки судна. Раарахунок виконано для типових морських г!д-рологоакустичних умов з приповерхневим поширенням звуку> пом1ж завад прева-лювала ревер«ерад!йна. Крива 1 №31.4 в!дпов1даб оггомалънхй просторов !и

обробц! (26). яка враховув вертикаль ну аМчотропЮаавад, крива 2 -традиц!йн!й.дкаграыофорыуюч1й просторов!« обробЩ, яка виконуеться

без врахування ан!зотроп!1 завад. ,

1а нал.4 еидно, т У т! момент» часу, коли антена переходить через\ вертикальна положения, виграш аа рахунок оптиШвацП просторово! Iобробки досягас 12 - 14 ДБ. Проте, для б1лыюст! момент!в часу положения антен в!дрианаетьсяв1д вертикального,^щр приаводить : до зяиження .просторово! кореляцП вавад 1 в!дпов!дноиу пад!тш

ефёктивност! оптишаац!!. ° » -

' Однак, становище мсое бути виправлеие при використанн! кеоди-кочних д1н1йок ЕП, а поверхневих антен. У цьому випадку формування спрямованост! доц1льно роабити на два етапк. На першому етап! по ; кожному горизонтальному ряду ЕП формуеться в!яло гориаонтальних ДС. На другому етап! виходи одно!мених ДО ус!х гориаонтальних ряд!в об'еднуються, утворшчи результуючу ДС. При цьому внасл!док 1вот-• ропноот! ровпод!леких ваьад у горизоктальн1й площин! на першому етап! можна користуватися традиЩйними методами просторово! оброб-ки. Врахування вертикально! ан1аотроп1! .роэпод1леню{ завад доц1льно проводити лише на другому, ааключному етап! форыування вертикально! спрямованост!. Такий роапод!л просторово! обробки кр!м економП об-числювальних затрат аначно покращуе ! можливост! для оптим!зац!1 в умовах роахятувачня антен, оск1льки горизонтальна спрямованЮть дозволяв подавити т! ю шонеити завади, як! викдикають II декоры

ляц1ю при в1дхиленн! аа-.

(Сигн,/а«вада Хпар < дБ

50

45

48

35

: * Ал^ | лх

8

18 И*л .5

15

28 Ч,с

тени в!д вертикального положения. Так, на мал. 5 наведен! результата роара-хунк1в для тих же умов,Тар 1 на мал.4, але а поперед-н!м формуванкям горизонтально! спрямованост!. 31ставлбння мал.4 ! мал.5 показуе, шр I останньому випадку середн1 виграши аа рахунок оптим!аацП значно вице.

Зроблено анал!э ефек-тивносЛ часово! обробки

: Пдролокац1йяих сигнал!в з урахуванням паразитной модуляцП 1х параметр^, яка'виникаБ внасл1док розхитування антен. Щзо1люстрова-но ефекти "розмиття" функцП невизначеност1 простих 1 склздпих сигнал! в, втрати р!вня вих!дного сигналу, похибки у визначенн! параметр^ сигналу, як! вияикають внасл1док паразитно! модуляцП. Дос-л!джена аалежн!сть втрат завадост!йкост1, аумовлена повним або частковим !гноруванням фактору паразитно! модуляцП, в1д тривалост! сигналу. Показано, цо вкаган! втрати не перевгецують 1 ¿В, якщо в межах тривалост! сигналу в!дсташ>, пройдена кореспондуючими об'ек-тами, не перевишуе 1-2 довжини хвши. Кр1м того, величина втрат у цьому д1апазон! тривалостей в1д типу випром!нюваного сигналу майже не заложить. При зростанн! тривалост! сигналу вище вказаних меж спостер1гаеться р1зьке зростанкя втрат у ефективност1 виявлення сигнал1в, як! оообливо значнг для складних сигнал!в.

0дер?"ш1 результата св1дчать про кеобх1дн1сть урахування при виконанн1 когерентно! часово! обробки як простих, так ! складних сигнал1в велико! тривалост! паразитно! модуляцП 1х параметр! в -. затримки та коефщгекту часового масштабу. Показан., що часткове урахування т!льки паразитно! модуляцП затримки сигналу радикального пол!пшення ситуацП не дае.

Досл!джено мсшшв!сть с'габШзацП характеристик принмального тракту при спотвореннях сигналу, як! виникають вкасл!док 1х паразитно! модуляцП, за рахунок переходу в1д когерентно! часово! об-робки (КО) до частково-когерентно! (ЧКО), яка виконуеться за алго-

Зг!дно (32) часова обробка складавться а двох етап!в: спочатку на часових !нтервалах, як! складають </<? частину тривалост! сигналу, виконуеться КО окремих фрагмент!в ("секц!й") сигнала, дал! результати обробки ус1х <? "секц!й" некогерентно накопичуються. У ви-падку 9-1 алгоритм (32) зб1гавться, очевидно, з алгоритмом КО.

Проанал!зована ефективн!сть ЧКО простих ! складк"х сигнал!в в залежност! в!д ступ1ня секц!онування 'сигналу. Пока ано, що зростанкя ступ:ня секц!онування сигналу, спотвореного паразитной модуля-ц!ею, призводить до снижения !ндекса мерехт!ння сигналу та зростан-

ритмом

(32)

ню в!дношення сигкал/зазада на зиход! приймального тракту. В результат! по !нтеградьному показнику ефективност! - пороговому в!д-ноиенню сигнал/завада на випром1кюЕаЧ1, ЧКО забеспечуе зкачн! (6 -8 дБ) виграши у аавадостгкост! по ь!дноиенню до КО. Кр!м того, ЧКО маа переваги перед КО ! по об'ему обчислювальних затрат, як! потр!бн1 для 1х реапаацп.

В глав! 3 розглянуто шляхи подолання !нформац1йних та техн!ч-. них обмежень, з ягами стикавться реал!зац!я методгв оптимально! просторово! та часово! об робки, У на;.рямку спрощекня або вкключення окремих и елемёнт!в в тих межах, як1 припускать вимоги по ефек- ' тивнсст!, а, також, за рахунок використання процедур адаптаци.

Проведено пор!внювальний знаглз ефективност! ряду схем кваз!- : оптимально! обробки багатопроменэвих скгнал!в. Показано, т для то-нальних сигнайв та снгнапв пом!рно! складност! доцхльно викорис-. товуватк одноканальний тракт з когерентною часовою обробкою та ска-нуванкям по !нформативким параметрам сигналу (капрямок приходу, за-трдака, коеф1ц1ент зм1ни ч нового масштабу) з наступним в!дбором максимальних значень. Для сигнал!в велико! складносп ефживкдсть цього тракту нбгадовхлька. Тбму для таких опгнал!ь г.ропонуеться ви-користовувати запасть когерентно! часово!- обробки алгоритм ЧКО (32), який забеспечуе краще використання енергН багатопроменевого .сигналу !• яккй б1льш стойкий до похибок г!дрологоакустичного прогнозу.

Розлянуто теоретн1'!! х прикладн! питания побудоЕк метод!в : ва-з!опт1шадьно! та адаптивно! просторово! обробки, узгодженог 13 роз-под!леикми компонентами завади. Зокрема, а урахуванням вузькосмуго-вост! приймальних трактхв г!дртокац1йиих сигнал!в проанал!вована мржлив1сть виюшчення•процедури фоьтрацп вх!дних напруг при вико-нанн! просторозо!.обробки та П аам!ни множенкям на комплексн! ва-гов! коефЩенти. Зроблено пор!вкювальний анал1г ефективност! оп-тимальних ! кваМоптимальних метод!в просторово!.обробки та вста-новлен! обмежувалып умови, за яких припустиме виключення процедури ф!льтрац!!. Показано зв'явок щи обмежень !з спектрально-кореляц!й-ними характеристиками завад та розмграми приймальних пертур.

Розглянуто спецкф!чну для адаптивних процедур обробки проблему, пов'язану !з "аасм!ченням" навчальних виборок сигналом. У цьо-му зв'яэку для типових умов проанал!аована в усталеному режим! ефективн!сть алгоритму Кейпона обчислення адаптивного амшйтудно-фазового розпод!лу чутливосг! приймально! аперт. ри. Показано, що

при в!Дсутност! обмежень на розряднЮть обчкслень алгоритм Кейпона в усталеному режим! практично не поступаеться по ефективност! вияв-леикя' сигналлв оптимально просторов!й'обробц! нав1ть при "засмЬ .Ченн1" навчально! виборки сигналом. Проте, обмеження розрядност! операнд1в та арифметичних операщй призьодить у випадку "засм!чен-ня" навчальних виборок до значного зниження ефективност! алгоритму Кейпона. У цьому зв'язку запропонован! заходи для зниження небеьпе-ки "засм1чувачня". навчальних виборок сигналом, я:а можуть бути вас-тосован1 для поверхневих антен з попередн!м формуванням по кожному ярусу 'ЕЛ в1яла горизонтально ДС.- Наявн!сть попередньо сформовано-го в1яла горизонтальних до дозволяв при оЩнюванн! характеристик завади в!дстроюватись в1д наг.рямку прихода сигналу. Кр!м того, введения додатково! координата, тобто напрямку ДС по пеленгу, ство-рюе можяивост1 для кращого усереднення оЩнок характеристик завади ■ I, отке, сприяь гпдвшденню ефективност! адаптацП.

Разрг ")лено методику та програми для моделювання на ПЭОМ прос-торово-часово! обробки г!дролокац!йних сигналов, як! забеспечують вирглення задач-формування спектрально-корелягцйних характеристик завади та г1дрологоакусткчних параметр!в сигналу, эоретичний прогноз ефективност! адаптивних процедур просторово! обробки в усталеному режим!, !м1тац!ю пол!в"сигналу ! завади та !х. адаптивну прос-торову обробку, когерентну ! частково-когерентну часову обробку г.ростих 1 склэдних сигнал1в, оц!нку показникгв ефективност! досл!д-

жуваних алгоритм!в, воображения ! документування результат !в моделювання.

Проведено статистич-не моделювання задач адаптивно! прос^ово! обробки г!дролокац1йних сигная!в у пол! розпод!лених сазад (шуы1в ыоря та ревербера-ц!!). Вианачен1 вимоги на об'ем навчально! статистику при якому ефективн!сть адаптивних г хщедур близь-Нал. 6 4 *с ка до устлених значекь.

П!дтверджен1 шляхом моделювання прогнозн1 оц!нки ефективност! адап-

ис±>

Сигн Уэвлада.

тацП процедур просторово! обробки для типових умов фунюцонування ГЛС а ура-хування ск!нченност1 часу навчання та сбмежено! роа-рядност1 обчислень. Деяк1 результат« моделювання представлен! на мал.6,7. На мал.6 показана одна а реал1зац!й bhxùskoï напру-ги приймального тракту з адаптивною (крива 1) i . традиц1йною (крива 2) Пал.?. просторсвсю об робкою. Вжь

на piBHi окремих реал1аац1й видно значний виграш у ефективност1, якии ззбеспечуе адалтац1я просторово! обробки до кореляц!йних характеристик розподыених компонент эавади. Статистичн! оц1нки таких виграаав, одержан! у cepiï ia 100 дослшв, показан! на мал.7 (пунктир). Роарахунок виконано для tîsI а сигнально-завадово! ситуацП, що i мал.4,5, але- для набору дистанц!й до об'екту локацП в д!апа-aoHi в!д 10 до 1S км. Сущ льна крива на мал.7 в1дпов!даб теоретичному прогнозу, виконаноыу для усталейого режима, тобто при вЦеут-HOCTi статистичних похибок оц1нювання кореляц1йних характеристик завади. 1а мал.7 видно, що в межах поХибок моделювання теоретичл1 та статистичн! оц1нки ефективност1 адаптацП аб!гаються.

Глава 4 присвячена досл1дженню метод!в обробки г!дролокац1йних сигнал!в, як! забеспечують стаб!л!зац!в характеристик приймального тракту в умовах непараметрично! априорно! невианаченост! в1дносно властивостей аавади, як! бааувться на нел!н!йних функциональных пе-ретвореннях двс)х тип1в:

- "жорсткпму" обмеженн! сигнал!в

(33)

u(t\ г) = *(*,*)].

~ 1 при £■ > о та Sign(z) - -1 при ¿? < О; - ранжуванн1 сигнад1в

и/ф-ZL С34)

л,=о /»»i

де 1 при г > О та З^л/г)- 0 при ;? < о, ,

- "вис1кэач1" коеф!ц1енги, як1 дор1внпють О або 1 у залежнос-т1 в!Д приналёхнрст! в!дл!ку до ранжовано! виборки. • .

Перетзорення (33) переводить потачну реал!эац1ю акустш'.ного поля у посшдовШсть знак!в на виход! обыежувача. а ранжування (34) - у посл!довн1сть номер!в в!дл1.к!в поля у вар1:ац1йному ряду, укла- . деноыу а порядкових. статистик реал!зацП поля.

Показано, щр. ранжування (34) екв!валентно у статистичному ро-аум!нн! нел!н1йному перетворенню типа ^ « Р(<х ) , де 1? (¿с) - !нтегральний закон роапод!лу аавади. Завдяки редукцП значень поля До знак1в або ранг!в забеспечуеться ШдЕШцення ст!йкост! характеристик прийыальних тракт1в до вар!ад1й властивостей завади на Дхньому вход!.

Досл!джено вплив негауссовост! розпод!лу завади на ефектив-н!сть непарамегрично! обрсбки та показан! 11.переваги перед тради-ц1йною л!н1йноо у ситуац1ях, коли 1снуе небезпека появи р1зких ви-кид!в у прийнято! реал1зац11 поля, наприклад, при наивность!м-пульсних завад. Так, на мал.8 показана ефективн!сть непараметрич-них процедур обробки з "коротким" обмеженням (кривя 1) та ранжуван-ням (крива 2) по в^ношенню до традшцйно! лШйно! в залежност! в!д параметра с!мейства розпод1л!в

/*(х) = а етер (-

в/сс/т),

(35)

ю

ч

4 О

г*

-4

\

\

\ д

1

i

Ч? 1

" а мал.!

? 10

%

де Л „В - деяк! нормуюч! конотанти.. При у' - 1 роапод!л (35) зб!гаеться з роз-под!лом Лапласа, при ■у т 2 - з "гаус-с1вским розпод1лом, а при у > > 1 переходить у р1вном!рний . розпод!л. 1з мал.8 ви-ходить,. щр' у цих умо-вах непараметричн1 ме-тоди забяспечують у пор!в:'янн! з традиЩй-ною л!н!йною обробкою виграши 8авадост!йкос-

т!, як! досягають при ^ £ 1 (2 - 8)дБ. Якщо ж в1дл!ки поля дос-татньо одкор1дн1, то хорстке обмеження приаводить до втрат завадо-ст!йкост! на 5 дБ, у той час, як рангов! методи збер1гають свою ефективн!сть практично на тому ж р!вн!, що ! л!н1йн! системи.

Слабким мЮцем непараметричник метод1в обробки е те, що'в!д-пов!дна теор1я розвиаута, головним чином, для простих ситуац!й, коли аавада стащонарна, а П в1дл!ки некорельован! у простор! та час!. У ав'язку а.дим.в дисертацП аначну увагу прид1лено рев!аП . в!домих р^аультат!в по анал!зу ефективност1 непараметричних алгоритм! в у напрямку набдиження вих1дних моделей до реалькост1. Зок-рема, досл!джено вплив корельованост! поля завад на ефективн1сть трактов з непараметричною обробкою. Проанал!зовано завадост!йк!сть тракту а жорстким обмеженням при виявленн1 сигнала на фон1 вузько-смугових локальних завад. Показано, що нел!н1йна взаемод!я м1ж компонентами запади приаводить до появи на виходг жорсткого обмежувача перехрестних складових, як! викликають додатков1 втрати завадсст!й-кост1 у порХЕНянн! в ситу;. Дею в!дсутност! кореляц'П завад. Проте, в робот! про!люстрована можливЮть подавления локальних вавад у тракт! з жорстким обмеженням на,(10 - 20) дБ. Однак, ефективн1сть подавления завад у тракт! а непараметричною обробкою-виявляеться па (5 - 10) дБ г!рше, н!ж у'традиц1йних л1н!йних системах, шр пояс-нюеться впливом перехрестних компонент аавади.. ■

- Виконано анал1з характеристик спрямованост! тракт!в а непараметричною обробкою. Показано, що при Слабких сигналах ц1 тракти ведут себе так, як 1 лШйн! системи. При сильних сигналах спостер!-гаються ефекти' нел!н!йно! взаемодП м!ж сигналами, що може приавес-ти до спотворення характеристик спрямованост! тракту. Кр!м того, показана залежн1сть-характеристик спрямованост! тракт!в з непараметричною ранговом обробкою в!д способу ранжування, тобто конф!гу-рац!! областх п!дсумовування в алгоритм. (34). Зокрема, встановле-но, щр найб!льш-бажаним з ц!е! точки зору б часове та просторово-часове ранжування. При просторовому ранжуванн1 моюшь! ефекти подавления сигналу для антен лШйно! та плоско! кошЗдг рацхй при прийоы1 сигналу 1в фронтального напрямку. Для антен нелШйно! геометр!! дросторове ранжування наст1льки ж ефективне, як ! часове.

0СН0ВН1 РЕЗУЛЬТАТИ I ВИСНОВКИ

I. В дисертац!йн!й робот! роароблен! теоретичн! основи просто-.рово-часово! обробки ПдролокаиДйних сигнал!в у складних сигнально-завадових умовах в урахуванням сукупносп дестаб!л!эуючих фактор!в, як! включаюгь:

1. Модел! Ндролокацшних сигнал!в ! аавад з урахуванням спе-циф1чного для г1дролокац1йних систем фактору - власного руху прип-мально-випром1нючих антен. Ц1 модел1, на в!дм!ну в!д ран!ш в!домих, враховуоть скяадний поступально-коливальний характер руху антен в умовах шарувато! неоднорвдюст! середовища поширення. звуку.

'2. Оптимальн!, кваз!опткмачьн1 та адаптивн1 алгоритми виявлен-ня г!дролокац!йних сигнал1в при наяЕноот! поступально-коливального . руху приймально-випром!нючих антених систем та з урахуванням бага-токомпонентнос.'Л зовншних завад, !х ан1зотроп!!, багатопроменевос-Т1 поля сг^налу, а також, флюктушЦй його променевих характеристик.

3. Загальну методику анал!ау ефективност! оптимальних та ква-з!оптймальних алгоритм!в виявлення г!дролокац!йни;< сигнэл!е у складн!й сигнально-завадов!й обстановц! при наявнс тг дестаб!л1зу-ючих фактор!в.

II. Одержано так! основн! науков! результата:

!. Проанал!зовано залежн!сть ефективност! алгоритм!в оптимально! обробки Ндролокащйних сигнал! в в!д статистичних' характеристик флюктуац!й комплексних амплгхуд промен!в при використанн! просгих та складних скгнал!в. .

2. Проведено анал1з ефективност! обробки г1дролокац!йних'сиг-нал!в в умовах лхннгаого руху антен. Показано, ыр л!н!йну компоненту руху приймально! антени сл!д враховувати при виконанн! просторово! обробки в ситуац1ях, коли, по-перше, джерела сигнал!в та аавад розтаиован1 по ходу руха антен, по-друге, розм!ри приймально! апертури максимальн! вздовж напрямку руху.

3. Досл!джено ефективн!сть оптим!8ац!! просторово! обробки г!дролокац!йних сигнал1в на фон! вэртикально-ан!зотропних завад (шум!в моря та реверберац!!) в умовах розхитування ак~енн.

Показано, що розхитування приймальних антен п..изводить до значного зниження ефективност! оптим!зацН просторово! обробки у пор!вняши з в!домими у л1тератур! оц!нками, одержаними для стац!-

онарно! ситуац!!. Ц1 втрати можуть бути аменшен! аа. рахунок попе-педнього формування-горизонтально! спряыованост1 по кожному ярусу антени. ' •

4. Проанал!зовано ефективн1сть когерентно! та частково-коге-рентно! часово! обробки г1дролокац!йнихсигнал!в а урахуванням па- . рааитно! модуляцП !х параметр1в в умовах роахктування приймально-випроы1нюючих антен. Досл1джено втрати р1вня сигналу на виход! тракта, зумовлен! повним año частковим 1гноруванням фактора пара-аитко! мог/ляцП, та встановлено обмеження на тривал!сть 1нтервал1в когерентно! обробки, для яких вкааан! втрати не перевиаують допустимых меж. • ' _ ' ' . <

5.' Проведено статистичне моделювання задач адаптивно! просторово! обробки г1дролокац!йних сигнал1в у полi роапод!лених■завад (шум!в моря та реверберацИ). П1дтверджено шляхом моделювання прог-ноан! оц1нки ефективност! адаптивних процедур обробки для типових умов г!дролокац!йного спостереження а урахуванням ск!нченост1 часу навчаннята обмежено! розрядност! обчислень.

6. Досл!джено можливост! аастосування непараыетрччних метод!в обробки г!дралокац1йиих сигнал!в, як! забеспечують стаб!л!зац!ю характеристик прийыального тракту для б1льш широкого кола умов, н1ж оптимальн! та кваз!сптимальн! алгоритми. Досл1джено вплив негауссо-вост! роапод1лу аавади ка ефективн!сть непарамэтр^мно! обробки та . показан! i! переваги перед традиц!йною л1и1йною обробкоя в ситуац1-ях, коли !снуе аагроза появи !ыпульсних завад.

7. Виповнено аная1а впливу корельованост! поля завад на ефек-тивн!сть тракт1в з непараметричною "обробкою. Зокреиа, досл!джено аавадост!йк!сть тракту а жорстким ббмеженням.при виявленн! сигналу гна фон! вуаькосмугових локальних завад та показана можлив!сть !х подавления на (10 - 20) дБ. . ,

8. Досл!джено характеристики спрям:ваност! тракт!в а непараметричною обрабкою i встановлена !х аалежн!сть в1д типу нел1н1йного перетверення.

III. Вир1шено так1 прикладн! задач!:

1. Знайдено умови аастосування роароблених моделей пол1в сигналов i аавад у суднових ГЛС при наявиост! ходу та качки Höcia. Hi результати доаволяють, по-перше, ощнити припус^иыАсть використан-

ня вказаних моделей у залехност! в1д тривалост1 !нтервалу обробки, розм1р1в приймально! апертури та динам!чних характеристик кос!я, по-друге характеристики паразитно! моцуляцП сигнал1в.

2. Запропоновано загальну структуру оптимал>них та кваз1опти-мальних алгоритмов виявленнл Пдролокадпших сигнал!в типово! ГЛС, роам!щено! на: рухомому нос!!. Ця схема поряд а традиц!йними блоками мае ряд слемент!в, як1 забеспечують урахуэання параметр!в руху антен та характеристики зовн!шнього'середовища.

3. Розроблено пропозицП. по використанкю зам1сть когерентно: часово1 обробки частково-когерентно! (ЧКО). Застосуваиня ЧКО доз-воляе п1деищити ст!йк!сть характеристик приймального тракту до спотворень сигналу, як! винккають внасл!док !х паразитно! модуля-ц!1, а також похибок гЦралогоачустичкс-о прогноау.

4.- Проведено пор!вюовальний аналгз завадост!йкост! ряду схем кваз!оптимальнг1 обробки багатопромэневих г1дролокац1йних сигнал!в ' та рекомендовано для практичного використання одноканальний трак1: з когерентною або частково-когерентною часовою обробкою та настрою-ванням на параметри сигналу, як! аабеспечують максимальне нгдношен-нк сигнал/аавада на виход1 тракту.

5. Запропонован! эагальносистемн! р!шення для побудови адал-тивних процедур просторово! 'обробки г1дролокац!^них сигнал1в у по-л1 розподхлёни.с ааЕад. Зокрема, з урахуванням В7зькоемуговост! приймапьних тракт!в ГЛС проанал!зовано можлив!сть гам1ни процедури адаптивно! фольтрацП вххдних напруг множзнням на комплекса! адап-тивн1 BaroBi коеф!Щенти. Встаковлено обмеження на смугу тракту, при яких лрипустима така зам!на, та показано зв'язок цих обмежень ia спектраль:ю-корйляц!йаими характеристиками завад i ррзм1рами приймальиих апертур.

Розг;:януто специф!чну для адэлтивних процедур обробки проблему, пов'язану 1а "гас;м!чуванням" навчальних виборок сигналом та запропонован! заходи по знижэн; о виникаючих при цьому втрат.

6. Разроблено методику i програми моделювання оптимально!, KBaaionTh-MajibHo! та адаптивно! обробки г!дролокац!йних сигналов.

ücnoBHi результата дисертацП викладен! в роботах:

1. Ильичев В.И.,Калюжный А. Я.,Красный Л.Г.,Лапин Б.Ю. Статистическая теория обнаружения гидроакустических сигналов. - М.:Наука, 1992.•- 415 с.

2. Качшшый А.Я. Оптимизация .пространственно-временной обработки ахолокационных сигналов в условиях сложного движения приемно-излучащих антенных систем // Акусг. кур". 1996. т.42.Ы 1. С.1 - 6.

3. Калюжный А.Я. Лучевое представление поля ахолокационных сигналов в слоисто-неоднородной среде при сложном движении приемно-излучающих антенных систем // Акуст. журн. 1994. т.40. N 4. С. 599 - 605. '

4. Калюжный А.Я..Красный Л.Г. Помехоустойчивость трактов обнаружен: л сигналов, распространяющихся в статистически-неоднородной среде /,'. Труды 11-ой Всэсоюзн. акуст. конф. Секция Т. -М., 1991. С.101-104. ' ■'.-•*

б! Калюжный А. Я. Помехоустойчивость.'и направленные свойства антенных решеток с цифровым формированием направленности // . Радиотехн. и электр. 199С. т.35. N'4. 0.753-767*1

'6. Калюжный А.Я., Красный Л.Г. Компенсация.анизотропных акустических помех // Акуст. хурн. 1990. т.36. N 1. С.25-30.

7. Калюжный А.Я., Красный Л.Г., Хавило В.И. Помехоустойчивость и разрешающая способность обнаружителей с ранжг.хзванием на выходах элементов антенны // Радиотехн. и злектр. 1987. т.32.

Н 9. С.1877-1887.- .'

8. Калхшшй А.Я., Красный Л.Г., Крижановский В.В. ,

Хавило В.И. Устройство для обнаружения низкочастотных гидроакустических сигналов. Авт. свид. СССР N 219579 от 24.05.85.

9. Калюжный А.Я., Красный Л.Г., Хавило В.И. Способ пространственной обработки сигналов. Авт. свид. СССР N 215284 от 01.02.85. •

10. Калюжный А.Я., Красный Л.Г., Крижановский В.В. Пространственная -обработка акустических сигналов в плоско-параллельном волноводе // Акуст. журн., 1984. т. 30. N 4. С. 495-501.

11. Калюжный А.Ч., Красный Л.Г., Хавило В.И. Разрешающая способность ранговых обнаружителей // Радиотехн. и электр. 1984. Т.29. М 2. С.256-264.

.. 12. Калюжный А.Я., Красный Л.Г., Крижановский В.Ь. Алгоритмы пространственной обработки сигналов в плоскопараллельном волноводе // Труды 10-ой Всесоюзн.. акустич. конф. Секция Т. - М., 1983, С.37-40. ' _

13.'Калюжный А.Я., Красный Л.Г. Устойчивость ранговых обнаружителей // Радиотехн. и электр. 1982. т.27. N1. С.84-91.

14. Калюжный А.Я. ; Красный Л.Г. Непараметрическиэ обнаружители с ранжированием по общей опорной виборке ,'/ Радиотекн. и электр. 1Q81.-T.26. N 1. 0.80-86.

,15. Калюжный А.Я., Красный Л.Г.,' Хавило В.И . Ранговый обнаружитель. Авт. свид. СССР N 809016 от 03.11.30.

.16. Калюжный А.Я. Непараметрические свойства ранговых обнаружителей сигналов по методу "контраста" при нестационарности помехи /У Радиотехн. и электр. 19791 т.24. N 1. С.59-65.

17. Калюжный А.Я., Красный Л.Г. Формирователь рангов. Авт. свид. .СССР N 701274 ст 06.08.79.

18. Калюжный А.Я., Красный Л.Г. Помехоустойчивость оптимальных и квазноптимальных ранговых обнаружителей сигналов методом "контраста" // Радиотехн. и электр. 1977. т.22. N 1. С.191 -195.

19. Калюжкчй А.Я. Влияние нестациопарности помехи на стабилизирующие свойства ранговых обнаружителей сигналов по методу "контраста" //'Вести. КПИ.-Сер. злектроак. и звучотехн. - Киев, 1977,'N 1. С.21-32,

20. Калюжный А.Я..Красный Л.Г. Моделированиз случайных полей // Акуст. и ультразз. техн. - Киев: Техника, 1975, вип.10. С.

21; Лапий Б.Ю., Калюжный А.Я., Красный Л.Г. Устройства ранговой обработки информации. - Киев. Техника,. 19В6. - 120 с.

АННОТАЦИЯ

Калюжный А.Я. Методы пространственно-временной обработки гидролокационных сигналов в сложных сигналыю-помеховых условиях при воздействии дестабилизирующих факторов (рукопись). Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических кау к по специальности 01.04.06 - акустика, Ин-т гидромеханики HAH Украины, Киев, 199Б.

Разработаны теоретические основы пространственно-временнбй обработки гидрэлокационных сигналов в сложных сигнально-помеховых условиях при воздействии дестабилизирующих факторов, которые включают соответствующие модели полей сигналов и помех, оптимальные, квазиопти-мачьные, адаптивные и непараметрические алгоритмы обработки, методику анализа эффективности. При синтезе и анализе алгоритмов обработки учтены совместно следующие факторы: сложное движение приемно-