Обнаружение и оценка параметров слабых гидроакустических сигналов пространственно развитыми приемными системами в неоднородных морских условиях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

На правах рукописи

МАТВЕЕВ Александр Львович

ОБНАРУЖЕНИЕ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ СЛАБЫХ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРОСТРАНСТВЕННО РАЗВИТЫМИ ПРИЕМНЫМИ СИСТЕМАМИ В НЕОДНОРОДНЫХ МОРСКИХ УСЛОВИЯХ

01.04.06 - акустика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1997

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор, член-корреспондент РАН

B.А. Зверев

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор

C.Н. Гурбатов

кандидат физико-математических наук А.Г. Сааонтов

Ведущая организация: ГП ВНИИФТРИ

_ у

Защита диссертации состоится Л3> сг/еМ 1997 г. в часов на заседании специализированного совета К 003.38.02 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан 23. <ма.Л 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук А.Г.ЛУЧИНИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время к исследованиям в области пространственной и временной обработки сигналов проявляется повышенный интерес, связанный с возможностью реализации на практике сложных алгоритмов благодаря быстром,*' совершенствованию современной вычислительной техники. Широкий спектр методов обработки сигналов активно используется в акустике, радиолокации, геофизике, гидроакустике, радиоастрономии, сейсмологии и т.п.. Различные области приложений имеют свою специфику и требуют разработки соответствующих адаптированных методов.

Новые методы, как правило, возникают двумя путями. Классический путь состоит в строгом аналитическом получении алгоритма обработки принимаемых сигналов с использованием одного из методов оптимизации. Примером хорошо известного метода оптимизации является метод максимального правдоподобия (МП). Другим путем возникновения новых методов обработки является эвристический, когда предлагается некоторый алгоритм, а его качество исследуется сравнением полученных характеристик с характеристиками оптимального алгоритма.

Имеется ряд фундаментальных работ, в которых подробно изложены основы теории МП оценивания. Именно этот метод был использован ранее для получения оптимальной оценки мощности широкополосного стохастического источника при приеме на мко-гоэлементную антенну в некоррелированном однородном шумовом поле. Однако, в гидроакустике, в реальных морских условиях, предположение об однородности шумового поля часто не выполняется и акустические шумы в точках расположения приемных •элементов имеют различную, не известную на момент измерения, мощность. Решение этой задачи, особенно актуальной для гидроакустики, и обсуждение характеристик полученной оценки является предметом исследования в первой главе диссертации.

Другим путем возникновения новых методов обработки является эвристический, когда предлагается некоторый алгоритм, и его качество исследуется сравнением полученных характеристик с характеристиками оптимального алгоритма. Жизнеспособность этого пути связана с двумя факторами: 1) Весьма значительны математические трудности, возникающие при строгой генерации алгоритма МП методами в практически важных слу-

чаях; 2) Установление качества эвристического алгоритма возможно без знания самого алгоритма путем сравнения дисперсия оценки с границей Крамера-Рао. Таким образом, нахождение границы Крамера-Рао необходимо для определения потенциальной точности измерения в конкретной ситуации, с которой в дальнейшем будут сравниваться соответствующие характеристики всех разрабатываемых методов. Известна такая граница для задачи измерения углового положения локального источника многоэлементной антенной в однородном помеховом поле с неизвестной мощностью. Поскольку, как отмечено выше, в гидроакустическом многомодовом нестационарном волноводе однородное поме-ховое поле представляется редким исключением, крайне актуальным является определение границы Крамера-Рао задачи с неоднородной помехой, которая также исследуется в первой главе диссертации.

Большой интерес в настоящее время привлечен к исследованию более сложной проблемы нахождения оптимальной обработки в случае перемещающегося относительно приемной системы источника. Такая задача возникает, например,, при апер-гурном синтезе, для которого может использоваться как движение приемной системы, так и источника. Существует ряд эвристических методов, построенных при некоторых упрощающих предположениях, в частности, о стационарности. При неизвестном уровне помех, что всегда имеет место в нестационарных морских условиях, простейшей приемной системой, позволяющей осуществить обнаружение или измерение мощности излучения такого стохастического источника, является интерферометр. Однако оптимальная МП оценка мощности не была получена строго даже для интерферометра. Кроме того, крайне актуальным является построение робастных алгоритмов оценки мощности и обнаружения, устойчивых к ряду возмущающих факторов, связанных с нестационарностью условий распространения акустического сигнала в морских условиях и. неточностью информации о траектории движения источника.

В последнее время применительно к мониторингу океана широко обсуждается дифракционно-теневая (просветная) методика наблюдений. При этом главной проблемой является выделение и оценка параметров слабого дифрагированного неоднородностью сигнала на фоне флюктуаций прямого сигнала. Поиск строгих оптимальных решений осложняется отсутствием достаточного

статистического описания этих флюктуаций и значительными математическими трудностями. Поэтому большой интерес представляет разработка эвристических методов и их проверка на имеющемся экспериментальном материале.

Целью диссертационной работы является развитие методов обнаружения и оценки параметров слабых" акустических стохастических и детерминированных сигналов при их приеме пространственно развитыми антеннами в неоднородных нестационарных морских условиях, а также изучение свойств и характеристик полученных методов.

Методы исследований. При решении поставленных задач были использованы методы статистической радиофизики, математического анализа, обработки сигналов, имитационного статистического моделирования на ЭВМ с постановкой и привлечением данных реальных морских экспериментов.

Научная новиона диссертации заключается в следующем:

1. Предложен новый асимптотически оптимальный метод измерения мощности локальных стохастических источников многоэлементной антенной при неизвестных уровнях помех в точках расположения приемных элементов, полученный непосредственно методом максимального правдоподобия. Найдена точная граница Крамера-Рао оценки мощности, определена дисперсна предложенной оценки и показано их асимптотическое совпадение как в случае слабых, так и сильных сигналов.

2. Впервые определена потенциальная точность измерения углового положения источника в пространстве относительно мно-гоолементной приемной антенны в некоррелированном иомехсвом поле с неизвестным распределением энергии помех по приемной апертуре при излучении источником как детерминированного, так и стохастического сигналов.

3. В интерферометрической схеме приема получена асимптотически оптимальная оценка мощности излучения движущегося локального источника и определена ее дисперсия. Предложен и разработан новый эвристический метод измерения, робастный к нестационарным условиям распространения в море и неточности контроля траектории движения источника.

4. Предложен новый, робастный к перечисленным выше факторам, интерференционный обнаружитель слабого стохастического широкополосного локального перемещающегося источника в нестационарных условиях распространения при нестационар-

ной помехе с неравномерным спектром и получена его рабочая характеристика. Разработаны компьютерные программы для обработки записей сигналов, сделанных в ходе реальных морских экспериментов.

5. Впервые на стационарной трассе протяженностью 13 км, образованной двумя судами, каждое из которых было растянуто на двух заякоренных рейдовых бочках, в Баренцевом море экспериментально исследованы пространственно-временные статистические характеристики поля тонального источника. Измерены частотные спектры и пространственная корреляция поля на апертуре вертикальной антенны, что позволило определить в качестве основного физического механизма флюктуаций в данном эксперименте ветровое волнение. Определены количественные значения статистических параметров, необходимые для построения прогноза эффективности различных гидроакустических систем.

6. Предложен новый эвристический алгоритм обнаружения неоднородности в условиях мелкого моря, включающий согласованную фильтрацию акустического дифрагированного неоднородностью в направлении распространения освещающей волны сигнала с некогерентным накоплением откликов вдоль вертикальной антенны, позволяющий оценить эффективный поперечник рассеяния, скорость перемещения неодвородностпи и ее расстояние до приемной системы. Разработаны компьютерные программы для обработки записей сигналов реальных морских экспериментов л численного моделирования. Впервые в подобных исследованиях на материале реального морского эксперимента с вертикальными антеннами показана возможность построения эффективной системы наблюдения.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложен ряд новых эффективных методов обнаружения и оценки параметров сигналов, позволяющий в сложных нестационарных морских условиях при использовании пространственно развитых приемных систем повысить точность акустических измерения и продвинуть диапазон измерения и обнаружения в область более слабых сигналов. Они могут найти применение при обработке массивов экспериментальных данных в акустике, радиолокации, гидролокации и т.д.. Полученные границы Крамера-Рао позволяют определить предельные возможности систем измерения мощности и углового положения источников, что необходимо

на этапе планирования эксперимента и при анализе качества новых алгоритмов. Предложенный метод обнаружения локальной акустической неоднородности по рассеянному в направлении ра-пространения освещающей полны полю и опенки таких параметров, как ее эффективный поперечник рассеяния, скорость перемещения и расстояние до приемной системы открывает новые возможности в диагностике и мониторинге состояния океана.

Положения, выносимые на защиту:

1. Получен новый асимптотически оптимальный метод измерения мощности локальных стохастических источников много-элементпой антенной при неизвестных, в общем случае различных, уровнях помех в точках расположения приемных элементов. Найдена точная граница Крамера-Рао оценки мощности. Определена дисперсия измерения предложенного метода и показано ее асимптотическое соппаленче с границей Крамера-Рао как в случае слабых, так и сильных сигналов. Проведено статистическое компьютерное моделирование, которое подтвердило количественные результаты п преимущество предложенного метода над известным в случае неравных уровней шумов в приемных каналах.

2. С помощью вычисленной границы Крамера-Рао впервые определена потенциальная точность измерения углового положения источника в пространстве относительно многоэлементной приемной антенны в неизвестном, неоднородном, некоррелированном на элементах антенны помеховом ноле при излучении источником как детерминированного, так и стохастического сигналов.

3. В интерферометрической схеме приема для неоднородного шумового поля в приближении слабого сигнала получена асимптотически оптимальная оценка мощности излучения движущегося локального источника и определена ее дисперсия. Предложен и разработан эвристический метод измерения, основанный на накоплении огибающих частных взаимнокорреляционных функций, робастный к таким декоррелнрунмцим факторам, как флюктуации разности задержек распространения сигналов до гидрофонов интерферометра и погрешности контроля параметров траектории сканирования. Найдена дисперсия предложенной оценки мощности и ее смещение, вызываемое размерами реального источника, неточностью контроля траектории и нарушением условия локальной стационарности. Показано преимущество предложенного метода измерения над классическим при наличии флюктуа-

цин, вызванных нестационарностыо условий распространенна.

4. Предложен новый, робастный к перечисленным выше факторам, интерферометрическпй обнаружитель слабого стохастического широкополосного локального движущегося источника в нестационарных условиях распространения при нестационарной помехе с неравномерным спектром, основанный на накоплении частных огибающих взаимнокорреляционных функций. Получена, рабочая характеристика обнаружителя и дано ее сравнение с ха-рактеристой классического. Показано преимущество предложенного обнаружителя в нестационарных морских условиях.

5. Экспериментально исследованы пространственно-временные статистические характеристики, поля тонального источника на стационарной трассе протяженностью 13 км в Баренцевом море. Полученные частотные спектры и пространственная корреляция поля на апертуре вертикальной антенны, позволили определить в качестве основного физического механизма флюк-туаций в данном эксперименте ветровое волнение. Определены количественные значения статистических параметров, необходимые для построения прогноза эффективности различных гидроакустических систем. Записи принятых сигналов использованы при моделировании предложенных алгоритмов обработки сигналов.

6. Предложен алгоритм согласованной фильтрации «акустического дифрагированного неоднородностью в направлении распространения освещающей волны сигнала с некогерентным накоплением откликов вдоль вертикальной антенны в условиях мелкого моря, позволяющий обнаружить неоднородность и оценить эффективный поперечник рассеяния, скорость перемещения неод-нородностии и ее расстояние до приемной системы. Выполнено компьютерное моделирование с использованием записей сигналов реальных морских экспериментов, показавшее высокую эффективность предложенного метода.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I и П Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" (Харьков, 1989, 1991 г.г.), 15 Всесоюзной школе-семинаре по статистической гидроакустике (Владивосток, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений" (Москва, 1990 г.), 2 се-сии Российского Акустического Общества "Акустический мони-

торинг сред" (Москва, 1993 г.), международных конференциях Journees Internationales de Nice sur les Antennes (JINA-94, Фракция, Ница, 1894 г.), International Colloque sur le Traitement du Signal et des Images (GEETSI, Франция, Жуан-лес-шшс, 1995 г.), International Conference on Acoustic, Speech and Signal Processing (ICASSP-95, США, Детройт, 1995г.), International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (1CEAA-95, Италия, Турин, 1995 г.), а также на семинарах Института прикладной физики РАН. Публикации полностью отражают результаты диссертации.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 7 статей в научных журнала!:.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глаи и заключения. Общж: объем диссертации составляет 144 страницы, в том числе 109 страниц машинописного текста, 22 рисунка {20 страниц). Список литературы содержит 169 наименований (15 страниц).

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, и дается краткий обзор работ по теме, формулируется цель исследования, его теоретическое и практическое значения, научная новизна, положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертационной работы.

В первой главе рас сматривай тс 2 задача оценки параметров сигналов в неоднородном, некоррелированном шумовом поле с неравными, неизвестными fia момент измерения мощиостедш помех в точках приема. Такая помеховая ситуация характерна дцм акустического эксперимента в нестационарных мг.рских услог.яях. В нервом параграфе главы (формулированы физическая и математическая постановка задачи оптимкиашш измерения мощности р, локального стохастического источника в неоднородном шумовом поле при приеме на пространственно развитые антенны. Пространственная ковариационная матрица принимаемых антенной данных x(¿) = as(i) -f n(¿), i - номер .отсчета, г — 1 ,..,,]¥, представлена в виде R = £[х(»)х+(г)] = KN -f- р,а а+, где R/v = diag(px, • • -Рт) ~ ковариационная матрица помех, параметры pk которой неизвестны, а - известный вектор, зависящий от взаимного расположения источника и приемной системы. Методом максимального правдоподобия строго получена система из m + 1 уравнения, решением которой являются МП оценки мощностей сигнала и помех в m точках приема. Эта система решена при

двух предположениях: 1) Слабого сигнала; 2) Большого числа N независимых отсчетов во времени. Таким образом, получена новая асимптотически оптимальная (АМП) оценка мощности источника:

Р»

(у> с-кЩВ-ы ¿1 RkkB.ll

( га 2 „1 \

а кй I |

^ Якк&и ) \ /

-1

1 **

где Кы = ^ £ гк(1)х1 (г). Показано, что в частном случае од-

х=1

нородного помехового поля полученная АМП оценка полностью совпадает с известной для этого случая строго оптимальной оценкой как в случае слабого, так и не слабого сигналов.

Качество асимптотических и субоптимальных оценок характеризует близость их дисперсии к границе Крамера-Рао (ГКР). Определению точной ГКР поставленной выше задачи оптимального измерения мощности в неоднородном помеховом поле посвящен второй параграф. Найденная точная граница Крамера-Рао имеет вид:

1 С(С + р*Е)

где

ГКР(р,) _ у. (С_1)2/р2 + (С-_2)Е С = 1 + Ла+1#а\ Е= £ (-

КРкС ~ ЪР'РкЫ2 )

Путем сравнения с ГКР показана асимптотическая эффективность полученной новой оценки в частных случаях слабого сигнала, сильного сигнала, идентичных мощностей шумов в приемных каналах, повышенного уровня шума в нескольких приемных каналах, антенны из двух приемников (интерферометра). Изложены результаты компьютерного моделирования, которые полностью подтвердили аналитические выводы.

В третьем и четвертом параграфах в рамках той же модели неоднородного, неизвестного, некоррелированного шумового поля рассмотрена задача определения потенциальной точности измерения углового положения источника при помощи протяженной антенны./Решением является нахождение соответствующей границы Крамера-Рао. Отличие формулировок задач в

этих параграфах состоит в различных предположениях о статистике излучаемого источником сигнала. В третьем параграфе излучаемый источником сигнал предполагается комплексным детерминированным с неизвестной формой. Принимаемый антенной сигнал, как и выше, описывается аддитивной моделью, но размерность вектора неизвестных параметров увеличилась до 2М + тп + 1. Путем построения и обращения информационной матрицы Фишера получена следующая точная граница Крамера-Рао:

Г К р .(¿л -__________ а1 Я-д^а ______ _

где и: - (2т/А) %'т{в)> а - (¡а^ .. , ¡о.т| ехр{./¿^и;})"'-,

Б = вйщ{(£1,ё2,...с[т} А - длина волны, с?*. - координата соответствующего приемника,

Во втором случае (параграф 1.4) используется стохастическая стационарная Гауссова модель узкополосного сигнала с нулевым средним. ¡Три этом вектор неизвестных параметров достигает размерности т 4- 2, а точная Г'КР имеет вид:

ГКРс(ц>)

+ р} а+ Идт1 п

Показано, что полученные Гранины являются обобщением известных и в более простых частных случаях совпадают с ними. Рассмотрен частный случай повышенного уровня шума в нескольких приемных каналах.

Вторая глава посвящена разработке методов обнаружения и оценки параметров сигналов движущихся стохастических источников в неоднородных морских условиях. Движение источника настолько усложняет поиск оптимальной обработки, что даже тля интерферометрпческой схемы (антенна, из двух приемных элементов) и известной траектории движения, при неизвестной мощности помехи в точках приема строго оптимальная оценка

мощности не была найдена. В первом параграфе главы содержится краткий обзор работ по алгоритмам обработки сигналов сканирующих источников и сформулирована математическая постановка задачи оптимизации измерения мощности локального стохастического источника, движущегося по известной траектории в неоднородном шумовом поле с неизвестной мощностью при интерферометрическом приеме. Непосредственная строгая максимизация функции правдоподобия привела к системе из трех нелинейных уравнений высокого порядка. Поскольку наибольший интерес представляет нахождение асимптотически оптимальной оценки в случае слабого сигнала, аналогично главе 1, она найдена в приближениях слабого сигнала и большого числа независимых отсчетов:

£ К.-*« + 4ЕЕ + <&*Ь) 1=1 »=1 ¿=1

Рв =

£(4 +«У2-*

»•=1

йН чн

где ах и а.2 - коэффициенты ослабления сигнала от источника до соответствующего приемника. Показано, что она является несмещенной и для больших сигналов, найдена ее дисперсия. В частном случае неподвижного источника полученная оценка совпадает с классической корреляционной обработкой, которая строго оптимальна при произвольном отношении сигнала и помехи.

В сложных нестационарных морских условиях распространения акустических сигналов существует ряд важных факторов, которые могут приводить к смещению или разрушению полученной без их учета оптимальной оценки. К ним относятся: неточность отслеживания траектории движения источника; медленные флюктуации разности задержек распространения сигнала до приемников интерферометра, вызванные условиями распространения, которые при слабом сигнале принципиально не могут определяться в ходе измерения; флюктуации разности задержек из-за флюкту-апий положения элементов приемной системы. Во втором параграфе предложен и разработан эвристический метод измерения мощности сигнала с оценкой двух параметров движения источника (начального углового положения и скорости его изменения), основанный на накоплении с отслеживанием или поиском траек-

тории частных огибающих взаимных корреляционных функций (ВКФ), вычисляемых на интервалах локальной стационарности. Предложенная оценка мощности имеет вид:

Рз

\

ТТЦИ

р

£ АкМ

к^О

м

где Ям,к{т) ~ Акм~м Е - т),Акм - а\{кМ +

¿=1

1)а2(А;М+1); М = Ж/(Р+1) - количество отсчетов на интервале локальной стационарности; Т\ Д.Р-1; А.Р — полоса обрабатываемых частот, Ё.мк(т) сопряжена по Гильберту с Имк(т)- В приближении слабого, но выделимого сигнала рассчитана дисперсия этой оценки и для параметров реальной измерительной ситуации показано, что потеря чувствительности по сравнению с АМП составляет порядка 2 дБ. Однако если разрушающие оптимальную оценку факторы оказываются существенными, АМП теряет работоспособность и.предлагаемый метод решает задачу измерения. Устойчивость предложенной оценки по сравнению с АМН показана на примере обработки экспериментальных сигналов. При этом достигнут теоретический предел чувствительности. Определены основные погрешности измерения, вызванные протяженностью источника, приближением локальной стациона-ризации, неточностью отслеживания траектории.

Проблема оптимизации обнаружения, исследуемая в третьем параграфе, близка задаче оптимального оценивания, но имеет значительные отличия как в методе синтеза, гак и в структуре алгоритмов обработки сигналов. Известно, что классическая оптимальная обработка при обнаружении стохастического широкополосного локального движущегося источника в интер-ферометрической схеме состоит в компенсации разности задержек распространения между источником и приемником, вычислении коэффициента взаимной корреляции принимаемых сигналов и сравнении его с порогом, величина которого может быть найдена при помощи критерия Неймана-Пирсона. На практике компенсация осуществляется с поиском по двум параметрам: начальному угловому положению и скорости его изменения. Предложена эври-

стическая модификация оптимального обнаружителя для нестационарной (по мощности) помехи с неравномерным спектром и определена его рабочая характеристика. Предложены также два новых обнаружителя на основе накопления частных огибающих ВКФ, устойчивые к воздействию перечисленных выше разрушающих оценку мощности факторов, характерных для нестационарных морских условий, получены их рабочие характеристики и произведено сравнение. Показано, что в нестационарной ситуации обработка с накоплением огибающих позволяет обнаруживать более слабые сигналы по сравнению с накоплением непосредственно ВКФ, хотя в стационарных условиях последняя имеет лучшие характеристики обнаружения. Эта потеря чувствительности при накоплении огибающей является "платой" за робастность. Теоретические результаты подтверждены статистическим компьютерным моделированием.

Третья глава диссертации посвящена проблеме обнаружения и оценки параметров сигнала, дифрагированного акустической неоднородностью в морском многомодовом волноводе при приеме на вертикальные антенны. В настоящее время не существует общепринятой универсальной модели, описывающей мультипликативные флюктуации прямого и дифрагированного сигналов, пригодной для аналитического построения оптимальных оценок и обнаружителя. В этих условиях большой интерес представляет разработка и исследование эвристических методов, основанных на физических представлениях. В первом параграфе на примере регулярного плоскослоистого волновода анализируется математическая модель наблюдения акустической дифракции вперед в канале мелкого моря с учетом многомодового распространения. В результате предложена следующая упрощенная малопараметрическая модель, описывающая принимаемый гидрофоном сигнал при пересечении рассеивателем акустической трассы под прямым углом, удобная для построения алгоритмов обработки:

г) = Ре(гт) [1 + |итЫ\ Г>(аоО ехр (-160<2 + •

где 1)(ао0 описывает диаграмму рассеяния неоднородности в направлении "вперед", ао = (1г1)/(у0Х), Ь0 = тгу2/(у0\), V - скорость движения неоднородности, уо - приведенное расстояние до неоднородности, I - длина неоднородности; {7т и (р - соответственно, амплитуда и фаза, рассматриваемые как случайные величины, за-

висящие от глубины канала, точек излучения и приема, а также от расстояния и условий распространения. Предложенная модель

подтверждается имеющимися результатами компьютерного моделирования. При достаточной мощности источника основным маскирующим полезную компоненту сигнала фактором является не акустический фон моря, а флюктуации принимаемого гидрофонами прямого сигнала. Здесь, не рассматривая теоретическую статистическую модель помехи, ограничимся результатами экспериментальных исследований, приведенными в параграфе 3.3.

Во втором параграфе на основе разработанной модели предложены три метода обработки сигналов, позволяющие обнаружить дифрагирующую неоднородность в канале и оценить ее сечение акустического рассеяния, скорость дрейфа и приведенную дистанцию. Все методы включают нелинейную фильтрацию, после которой возможно некогерентное накопление сигнальных откликов от элементов вертикальной антенны. В двух из них одним из этапов обработки является согласованная фильтрация, которая может выполняться поканально как по отдельности с амплитудной и фазовой компонентами принятых сигналов, так и непосредственно с комплексным сигналом.

В третьем параграфе призодятся результаты экспериментальных исследований пространственно-временных статистических характеристик принимаемых вертикальными антеннами сигналов тональных источников на стационарной трассе в Баренцевом море в 7 рейсе НИС "Академик Сергей Вавилов", в организации и проведении которого автор принимал непосредственное участие в качестве начальника экспедиции от ЙПФ АН СССР. Обработаны сигналы шестнадцати гидрофонов двух вертикальных антенн, исследованы величина, спектральный состав и коррелированность естественных амплитудных и фазовых флюктуации гидроакустического поля в различных точках пространства. Полученные частотные спектры и пространственная корреляция поля на апертуре вертикальной антенны, позволили определить в качестве основного физического механизма флюктуации в данном эксперименте ветровое волнецие. Результаты анализа использованы в качестве статистических характеристик помехи при построении алгоритмов обработки принятых сигналов.

В последнем разделе главы для демонстрации эффективности предлагаемых методов наблюдения приводятся результаты численного эксперимента с использованием имеющихся записей ре-

альных шумов мелководного морского канала в Баренцевом море, в которые вносился модельный дифракционный сигнал. Получено, что применение разработанных методов дает возможность достичь рекордного отношения стандарта остаточных флюктуа-ций к средней амплитуде первичного поля в рассмотренных реалистичных примерах от -54 до -60 дБ, при этом отношение сигнал/шум на выходе составляло от 12 до 20 дБ. Обострение отклика за счет согласованной фильтрации позволяет фиксировать момент пересечения неоднородностью плоскости акустической трассы с высокой точностью. Полумодельное тестирование разработанной программы оценки указанных выше параметров дало хорошее согласование с модельными значениями.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложен новый асимптотически оптимальный метод измерения мощности локальных стохастических источников многоэлементной антенной при неизвестных уровнях помех в точках расположения приемных элементов, синтезированный методом максимального правдоподобия для слабого сигнала при большом числе выборок. Найдена точная граница Крамера-Рао оценки мощности. Определена дисперсия измерения предложенного метода и показано ее асимптотическое совпадение с границей Крамера-Рао как в случае слабых, так и сильных сигналов. Проведено статистическое компьютерное моделирование, которое подтвердило количественные результаты и преимущество предложенного метода над известным в случае неравных уровней шумов в приемных каналах.

2. Впервые вычислена граница Крамера-Рао и определена потенциальная точность измерения углового положения источника в пространстве относительно многоэлементной приемной антенны в неоднородном некоррелированном помеховом поле с неизвестным распределением мощности в точках приема при излучении источником как детерминированного, так и стохастического сигналов.

3. В интерферометрической схеме приема для неоднородного шумового поля в приближении слабого сигнала получена асимптотически оптимальная оценка мощности излучения движущегося локального источника и определена ее дисперсия. Предложен и разработан эвристический метод измерения, основанный на на-

коплении огибающих частных взаямнохорреляционных функций, робастный к таким декоррелирующим факторам, как флюктуации разности задержек распространения сигналов до гидрофонов интерферометра и погрешности контроля параметров траектории сканирования. Найдена дисперсия предложенной оценки мощности п ее смещение, вызываемое размерами реального источника, неточностью контроля траектории и нарушением условия локальной стационарности. Математическим моделированием с использованием данных реальных морских экспериментов подтверждено преимущество предложенного метода измерения над классическим при наличии флюктуации, вызванных неста-пионарностыо условий распространения.

4. Предложен новый, робастный к перечисленным выше факторам, интерференционный обнаружитель слабого стохастического широкополосного локального сканирующего источника в не- , стационарных условиях распространения при нестационарной помехе с неравномерным спектром, основанный на накоплении частных огибающих взаимнокорреляционных функции. Получена рабочая характеристика обнаружителя и дано ее сравнение с ха-рактеристой классического. Выполнено численное моделирование, которое подтвердило преимущество предложенного обнаружителя в нестационарных морских условиях. Разработаны компьютерны«1 программы для обработки экспериментальных сигналов.

5. II роведены натурные экспериментальные исследования пространственно-временных статистических характеристик поля тонального источника и флюктуации его амплитуды на стационарной трассе протяженностью 13 км в Баренцевом море. Полученные частотные спектры и пространственная корреляция поля на апертуре вертикальной антенны, позволили определить в качестве основного физического механизма флюктуаций в данном эксперименте ветровое волнение. Определены количественные значения статистических параметров, необходимые для построения прогноза эффективности различных гидроакустических систем. Записи принятых сигналов использованы при моделировании предложенных алгоритмов обработки сигналов. Обнаруженная в условиях эксперимента некоррелированность амплитудных флюктуаций послужила одним из базисных элементов при разработке предложенного эвристического метода некогерентного накопления сигналов с элементов вертикальной антенны в мелком

море.

6 Разработан эвристический алгоритм согласованной фильтрации акустического дифрагированного неоднородностью в направлении распространения освещающей волны сигнала с некогерентным накоплением откликов вдоль вертикальной антенны в условиях мелкого моря, позволяющий обнаружить неоднородность и оценить эффективный поперечник рассеяния, скорость перемещения неоднородности!! и ее расстояние до приемной системы. Разработаны компьютерные программы для обработки записей сигналов реальных морских экспериментов и численного моделирования. Выполнено компьютерное моделирование с использованием записей сигналов, зарегистрированных на стационарной трассе в Баренцевом море, показавшее высокую эффективность предложенного метода.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кнафель А.И., Матвеев А.Л., Салин Б.М., Турчин В.И., Хилько А.И. Об одном интерферометрическом методе выделения квазистационарного сигнала на фоне шумов // Изв. вузов. Радиофизика. - 1989. - Т.32. - N 10. - С.1250-1257.

2. Горский С.М., Матвеев А.Л. Оценка мощности с использованием накопления частных огибающих взаимнокорреляцилнных функций // Всес. конфер. "Проблемы метрологии гидрофизических измерений": Тез.докл. - М., ВНИИФТРИ, 1990. - 0.179.

3. Горский С.М., Матвеев А.Л. Погрешности оценки дисперсии при накоплении огибающей взаимной корреляционной функции //15 Всес. школа-семинар по статистической гидроакустике: Тез. докл. - Владивосток, 1989. - С.46-47.

4. Горский С.М., Матвеев А.Л. Оптимальная и квазионти-мальная оценка дисперсии широкополосного сигнала в частном нестационарном случае / / Всес. научно-техническая конференция "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей": Тез. докл. - Харьков, 1989. - С.82.

5. Горский С.М., Матвеев А.Л. Оценка мощности с использованием накопления частных огибающих взаимнокорреляционных функций // Томографические методы в физико-технических измерениях : Сб. научн. тр. / НПО ВНИИФТРИ - М., 1990. -С.181-190.

6. Матвеев А.Л., Митюгов В.В. Отчет по 7 рейсу НИС "Академик Сергей Вавилов", раздел 7, Отчет отряда обработки и ана-

лиза акустической информаци / ИО АН СССР - М., 1990. - 57 с.

7. Матвеев А.Л. Смешение оценки дисперсии при накоплении частных огибающих взаимнокорреляционных функций // IX Всес. научно-техническая конференция "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей": Тез. докл. - Харьков, 1991. -С.90.

8. Матвеев А.Л. Обнаружение широкополосного источника, при помощи интерферометра в условиях нестационарной помехи со сложным спектром // "Проблемы измерения параметров гидроакустических, гидрофизических полей и обработки информации":'Сб. научн. тр. /НПО ВНИИФТРИ - М., 1992. - С.72-89.

9. Матвеев А.Л. Помехоустойчивость гидроакустического интерферометра при выделении сигнала широкополосного источника // Акустическая интерферометрия в океане: Сб. научн. тр.

- Владивосток, Дальнаука, 1993. - С.139-145.

10. Зиновьев А.Ю., Матвеев А.Л. Исследование флюктуаций акустических полей и их вертикальной пространственной корреляции на стационарной трассе //2 сессия Российского Акустического Общества, "Акустический мониторинг сред" : Тезисы докл.

- М., АКИН, 1993. - С.157-159. То же: Акустический журнал. -

1994. - Т. 40. - N 3. - С.473 - 474.

11. Gershman A., Matveyev A., Boehme J. Signal power estimation in sensor array - maximum likelihood estimator and CRB in the case of nonidentical unknown sensor noise powers / / Proceedings of the Conference Journees Internationales de Nice sur les Antennes (JINA-94) - Nice, France, 1994. - Pp.630-633.

12. Горский C.M., Зверев B.A., Матвеев А.Л., Митюгов В.В. Некогерентное накопление сигналов акустической дифракции // Акустический журнал. - 1995. - Т.41. - N 2. - С.223-231.

13. Зверев В.А., Матвеев А.Л., Митюгов В.В. Согласованная фильтрация откликов акустической дифракции при некогерентом накоплении на вертикальной антенне // Акустический журнал. -

1995. - Т.41. - N 4. - С.591-595.

14. Gershman А.В., Matveyev A.L., Boehme J.F. Maximum likelihood estimation of signal power in sensor array in the presence of unknown noise field // IEE Proc. Radar, Sonar and Navigation.

- 1995. - V.142. - No.5. - Pp.218-224.

15. Gershman A.B., Matveyev A.L., Boehme J.F. Maximum likelihood estimation of signal power in sensor array in the presence of unknown noise field // Proceedings of the International Conference

on Acoustic, Speech and Signal Processing (ICASSP-95) - Detroit, USA, 1995. - Pp.1824-1827.

16. Gershman A., Matveyev A., Boehme J. On potential accuracy of source localization in sensor array in the presense of unknown noise field // Proceedings of the International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA 95) - Torino, Italy, 1995. - Pp.275-277.

17. Gershman A.B., Matveyev A.L., Boehme J.F. Stochastic and deterministic Cramer-Rao bounds on direction-of-arrival estimation accuracy in the presence of unknown noise field // Proceedings of the International Colloque sur le Traitement du Signal et des Images (GRETSI) - Juan-les-pins, France, 1995, Pp.245-247.

Оглавление диссертации Введение 4

Глава 1. Оценка, параметров сигналов в статистически неоднородном шумовом поле с неизвестной мощностью. 18

1.1. Асимптотически оптимальное оценивание мощности стохастического источника в статистически неоднородном шумовом поле. 18

1.2. Граница Крамера-Рао оценки мощности и ее сравнение с дисперсией асимптотически оптимальной оценки. 25

1.3. Граница Крамера-Рао оценки угловою положения источника детерминированного сигнала. 33

1.4. Граница Крамера-Рао оценки углового положения источника стохастического сигнала. 39

1.5. Выводы. 45

Отава 2. Оценка параметров сигналов и обнаружение перемешающихся стохастических источников при интерференционной схеме приема. 47

2.1. Оптимизация оценки мощности движущегося источника стохастического сигнала. 48

2.2. Робастный алгоритм измерения мощности в нестационарных условиях распространения сигнала. 55

2.3. Обнаружение движущегося стохастического источника в условиях нестационарной помехи со сложным спектром. 61

2.4. Выводы. 81

Глава 3.

3.1.

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

Обнаружение и оценка параметров дифрагированного сигнала в многомодовом океаническом волноводе при приеме на вертикальную антенну. 83

Модель формирования сигнала при дифракции вперед в многомодовом волноводе. 85 Алгоритмы обнаружения и оценка параметров акустических сисналов, принимаемых вертикальной антенной. 91 ¡Экспериментальное исследование статистических характеристик поля тонального источника на стационарной трассе в Баренцевом море. 102 Результаты полумодельных испытаний разработанных алгорит-мов. 119 Выводы. 125

Заключение

127'

Список литературы

130