Угловое разрешение многолучевых гидроакустических сигналов в условиях волноводного распространения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

рг: од

1 и

АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ВДСШЕХА11ИКИ

На правах рукописи

АНТОПКК Сергей Павлович

угловое разрешение ыю1шучев1к гвдголкусггачвских сигналов в условиях еошювод1юп) распространения

01.04.05 - Акустика'

А в т о р о ф о р а т диссертации на ооискаше ученой стшюни кендидагга технических наук

Киев 1994

Работа выношена в Научно-производствениом объединении "Славутич" Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

л.г.крас1ш

Официальные оппоненты - доктор технических наук

б. а. лазуткин

Кандида® технических наук ■ а. с. москали ко '

ч

Ведущая организации - Киевский политехнический институт

Защита состоится "

" Об 1994 г. в " /Г " чаоив на заседании специализированного совета Д 01.04.01 Института гидромеханики All Украины но адресу 252057, Киев, ул.йеллбова, 0/4

С диссертацией можно озпасомитьоя i! научной библиотеке Института гидромеханики All Украины

Автореферат разослан

О £ 1994 г.

Ученый югсртарь' , ■ /

специализированного сонета,

доктор технические наук CXjT^yj^ti ^^

с. и. криль

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЙЛИСА РАКШ

Актуальность темы. Задача углового разрешения многолучевых гидроакустических сигналов, распростран ятмцих с л в морских волноводах, относится к числу наиболее ватных проблем современной гидроакустиш. Объясняется это тем, что, располагая оценками углов прихода сигналов, можно решать ряд важных обратных задач гидроакустики таких, кате оцонипшио (([ккгцшепкшиых коордиши' источника излучения. определение характеристик морской среды, исследование свойств морского грун-, та и ряд других.

Обычно в гид]югисустга для оценки углов прихода сигналов используется традиционный алгоритм пространственной обработки, которнй постоит н формировании одной диаграмма направленности и сканировании ею в задшшом секторе углов. Однако разрешающая способность этого алгоритма ограничена размерами антенной решэтки и часто оказывается недостаточной для углового разрешения лучей.

В тоже время, в радиолокации имеется родственная по математической постановке задача пеленгования нескольких источников узкопо-лоашх сигналов. Еэ регпокпэ в послед!шо 10 - 15 лет уделяется очень • больше внимание. Благодаря исследованиям Е. Б. Волочко, Л.Г.Доросинс-кого, В. В. Карачаевз, П.С. йишкопа, С.5(епустш, ,1.Сайгон, Н.Сох, В.РгШ1шж1ег, !Г.Еа1ШГ1, К.Китагезап, В.ОНегзгеп, П.ЗсШШ, Р.БЮ-1га, 11 Лаг и других было синтезировано и апробировано на практике икшзаио алгоритмов пеленгования, обладающих высокой угловой рззре-ватецой способностью.

Однако непооредегоошюэ исполиюпаиш этих алгоритмов п гидроакустика невозможно по целому ряду причин. Во-первых, предполежошю о некоррелированности сигналов отдельных источников, оправданное в радиолокации, не инподняотся для гидрожу еггочсотах сигналов, распространяющихся в шреких волноводах по разним лучевым траоктоулшм. Во-вторых, шумы в гидроакустике существенно ашзотротш в вертикальной плоскости, что необходимо учитывать при синтозо алгоритмов углового разрогпония. В-третьих, в радиолокации алгоритмы пеленгования сиптозкравшш, в основном, в продполсшзгти узкополошости иалучазмых сигналов и нувдаотся в обобярнии на случай широкополосных сигналов. В-четвертых, в радиолокации, как правило, отношенио сипш/шум на моментах приемной антенши волико, тогда как в гидроакустике приходится иметь дело т слабыми (по сравнении с тумжи) сигналами.

Кроме' указанных причин имеется таске ряд вопрооов, которые оказались мало иссгщовтшт.] Во-первых, недостаточно полно проанали-зи.лпаны точностные характеристики оптимального (по критерию максимума функции правдоподобия) алгоритма, что ¡затрудняет анализ энерго-тических затрат (в терминах отношения сигиал/юум и времени накопления) , необходимых для достижения требуемой точности^радйси углов прихода лучей в различных гидрологических условиях. Bo-mopsx, w исследовано влияние на точность углового разрешения тауг'"' -'^-фазовых ошибок в антенне, ошибок, возникащих из-за нетачии.,. фмзции о координатах элементов анхешгы и ошибок определения Л> похо-

же i;k л антеины.- В-третьих, реализация многих из известных в литерад-ро алгоритмов сопряжена с необходимостью решения весьма сложной вычислительной проблемы - поиска глобального экстремума нелинейной целевой функции от многих оцениваемых параметров., По этому весьма важной является задача синтеза алгоритмов, обеспечивающих не только ви-сокум разрешающую способность, но и требующих милого обтема вычислений и ориентированных на применение современных сродств вычислиталь-иой техники. Восполнению указанных пробелов посвящена настоящая диссертационная работа.- ...

Цепь раБотм - синтез структуры и анализ аффокоивности алгоритмов углобого разрешения гаироконолосшх многолучевых сигналов, при кшощих место на практике ограничениях ua волновые размеры,антенной регаотки, отаопюнио сигнал/шум и преын накопления информгщии, a такает, формулировка трвбглхший к приемному трокту и вычислительному устрой -ству, реализующему! наиболее аффективные алгоритмы. :

Научная новизна работы заключатся в следующих основных исшяда-

1шях. ■

- Синтезирована структура оптимального алгоритма углового раз-'-, решения мпогсшучевых сигналов. Установлено, что ггри. характерных "дли практики-ограничениях на время накопление исходных данных и отношение сигнал/шум реально достижимо разрешение» только двух-трох' но разрешимых по Гмо» групп лучей;-' - - • .' '

- Синтезированы квазиошшалышэ алгоритмы углового разрешения, основанные на свойствах собств&шшх векторов спэктралыкькорршмци-

_ оишх к,атриц шроконолосных гидроакустических сигналов и простропс-хвешю коррелированных шумов. Исследована сффоктивпость этих алго- ■ ршлш в условиях полноводного распространения звука; -

- Исследовано влияние конечного объема выборки, испил ьзув!/,ой для. оценивания .спокгралыю-корреляционной матрицы шумов, на точносцщо

- Б -

характеристики квазиопгишльншс алгоритмов углового разрешения;

- Исследовано влияние амплитудно-фазовых ошибок в антенне, ошибок,' возникввдих из-за неточной информации о координатах элементов антеннн, и шибок определения углового положения антенны на точностные характеристики кпззноггпгмашш алгоритмов углового разрешения;

, - Предложен алгорты ortpoделе пил числа груш лучей и углов их прихода в условиях произвольной корреляции сигналов ножду группа™ лучой. Экспериментально иссяодрвашд сгагастичогасио характеристики этого алгоритма и проанализированы вычислительные затрата, необходимыедля его:технической реализации.

IIa aatsmi выносятся сподущио основные положения диссертационной работа. •

1. Результата исследований гатенциалытах возможностей углового разроиогаи лучей с помощью оптимального (го критерию максимума функции правдоподобия) алгоритма.

2. Результат синтеза структура и анализа эффективности квззиоп-тамальных алгоритмов углового разрешения шрокополосных многолучевых сигналов, в основу которая положены свойства собственных векторов гаюкзрально-корролящялшых тгриц гидроакустических сигналов и пуша.

3. Результата анализа дестабилизирующего влияния па точностные харектвристикп синтезированных квазиоптималъных алгоритмов ошибок измерения спектрально-корреляциопной матрицы шумов, амиттудш-фазо-вых шибок в антенне, ошибок, возникащих из-за неточной информации о координатах элементов антенны и ошибок определения углового положения антенны; "

4.Рвзультага- синтеза структуры и анализа эффективности алгоритма оценивания числа групп лучей и углов их прихода в условиях ограничений на опкжэние сигнал/шум и время накопления исходных данных.

. 5. Результата анализа вычислительных затрат, необходимых для технической реализации алгоритма оцонившшя числа групп лучей и углов их прихода.

Достоверность полученный результатов подтверждается:

Т}испод!попшиом физически обоснованна моделей и строгих математических постановок;

2) послодоватолмшм и корректннм попользованном методов мптома-тичоекпй ГЛ1Г1И1ЛИКИ, липойипй iinntfpM, нмчиглитлмюй №гп«¡пики, '1ти)(1ш1 оцоиишшин ыириметрон, теории проиорки гипотез и теории возмущения матриц;

3) экспериментальным подтверждением подученных теоретических результатов; "

4) непротиворечивостью результатам и выводам других авторов..

Практическая ценность равоти состоит в том, ЧТО ее результаты

позволяют выяснить реальные возмоашости углового разрешения многолучевых широкополосных сигналов, а также необгодиша для этого энергетические, временный и вычислительные ресурсы. Полученные результаты могут быть кешльзованн как при проектировании трактов пространственно-временной обработки гидроакустических систем, так и i оцени- . нянин потенциальных в<'>зда:к1юетоП разрешения многолучевых ■"...налов в различных гидрологических условиях. Некоторые результаты работа могут быть иетюльБоваш при решении родственных (по математической постановке) гидроакустических задач. . ' - ''

Ппровация работы.

Оснонше-результаты дисоерга даошюй работы докладывались на научно-техническом семинаре "Система,' средства и алгоритмы первичной обработки информации" (НПО Океанприбор, Ленинград, 1989); на vx II научно-технической конференции но цифровой обработке информации (Таганрог, НИИ "Бриз", 1990); на межотраслевом научно-техническом семинаре "Разработка г^хитекгуры и программного обеспечения вычислительных систем обработки информации в реальном времени,- использующих, мнкромещнуа) алекентаум базу", (Усть-Нарва, 1991}, на конференциях и семинарах в НПО "Планутич".

.Диссертационная работ в полном объеме обсуздалась на республиканском сьмтюре по гидромеханике в Институте гидромеханики All Украины (рукошдшаль - член-корр. ЛИ Украины, проф. Гринченко в.Т., Киев 1ЭЭ4). ' ■

Основные результат диссертационной работы опубликованы в 4 на-, учкъгх статьях, .список которых приведен в конце автореферата, а также !!мшаш в 4 отчетах го научно-исследовательским и опытно-конструкторским работал. . • '

н обьси лиссертацни. Диссертация состоит из введения, чотмрох i'jifiu, ¡«м.ик1ч011ип и списка личврнгуры. Furtora кшшжи на 200 страницах, !r,tjiii)'jij>i >;l сз-ршицу <; иллюстрациями, бигишогрфия тде/р-т.г.т 116 догочшпеов.

00дерка11ие работ»

Во введет шм обосновывается актуальность диссертации, дон обзор работ, касающихся со тег.®, указана даль проводимых исследований, научная новизна и прштичОская ценность роботы, излажен круг вопросов, птюсящигся на анциту.

Первая глава поспгщопа синтезу оптимального (но критерии максимума функции правдоподобия) алгоритма оценивания углов прихода лучей и исследование» ого потенциальных юзможностей.

Исходная задача формулируется следующим образом. В волноводе, с зависящей от глубины скоростью звука, расположен точечный источтк, который излучает широкополосный сигнал в звуковом диапазоне частот. Излученный сигнал распростчмняотсл но I! лучепкгм траекториям н создает на приемной антенне поло з(£,гп.), преобразование Фурье, ) которого теот вид:

где Ат(ш) - амшштуда-гс-го луча, lm - время распространения сигняпа от источника до фазового центра антенны по п-у лучу, f"n - проотранс-твошше коордицаты п-го аломенга антенны, <£т = (з1п(Оп)соз(ц>0), sin(em)sin((p01, саз(вш)} - nciravp, опредмшщпй направление прихода я-го луча, ¿?я и - соответственно углы прихода я-го луча н вертикальной и горизонтальной плоскости, с - средняя скорость звука в точке расположения фазового центра антетш.

Ломим(/сигнала па антенну такжа поздойстуют шумы сос-

, -нищий из шумов поверхности моря п собственных шумов' антстш. И результата прообразовать Фурм поля iL(t,ixn), наблюдаемого на аитошш имеет вид:

и(ы;гп) ---- щи>;гп) f Щы;гп). (L>)

Задача состоит в оценивании углов вт прихода лучей п вертикальной WKY.-Koam и количества 1? этих лучей по результатам пространст-воию-промошой обработки поля и( t ,>\)-

В статистической теории оценивания известен метод уошепия задачи - синтез оптимального (но критерию максимума функции правдоподобия) алгоритма. В первой главе выполнен синтез такого алгоритма п нредтоткхяжи, что поло u(t,f,n> гауссово и стационарно на пленном hii'ni|iii;iii(i паб.шпдппии fl, £ t TI. Kj»«.«» тлич», н^дио.и.'и'птчч., -rru килмчоепш ti uiidi'.tiH'nHi гжтешш провьшот колпчесто tí лучей {N > U).

U

- о - ;

<:■!•[>ук'1'у[я'1 онгималыких» имшричма описишп'М! шрхшииьм: _

ШГ (3)

1-ло Ь --- ю1,....о11): -

проекционная матрица; - матрица, столбцы 3(ык;&т) которой але-

дус;т трактопгт. как отклики в различных точках приемного тракта (выходы елеменгов антенны, выходы Д11) на сигналы единичной ©^шгауда,-приходящие под углом (?т: + - символ комплексного сопряжения и транспонирования; ^^гг~ матрица, обратная к спектрально-корреляционнойматрице (СКЫ) ¡У^к) шумов; ш = <1Ци>к;гп)К*Ык;гт)> - ш-И илемыгг матрицы Ны(шк); <■> - символ статистического усреднение; * - символ комплексного сопряжения;

1 ъ

оцеш;а СКМ Я^й^.) поля и(и>,гп); Уг(ик)={и-1(ик;?'1).....и^^;^)]'1

МТ

£ + (1-1 )Т

.нрообразшшшо Фурьо напряжения шчислешоо на временном

интервале 11114; Г, - количество парциашмх временных ин-

тервалов; - Т^Ъ/Т, Ы - епИ/^'П, Ъ2 = епК^^Т); /и и - верхняя и нижняя частоты спектра сигнала; спК.) - символ целой части числа; т - секвол транспонирования. . '

Ь соответстиш с оптимальным алгоритмом основшши ¡гроцедурами . измерения углов прихода лучей являются:, формирование пространственных каналов, число которых оовпэдпот с числом лучей; сканирование диаграммами направленности этих каналов в пределах заданного сектора углов; нокогоуюнтноа накопление (но частоте и времени) выходных напряжений пространственных каналов. Сканирование диаграммами направленности осупосгалпотся до тех нор,, пока на будет обеспечен максимум напряжении (Я). При этом диаграмма направленности га-го просганствен-

.. , _ /ч

ио;Ч> наишш окзгатся' ориентированной под углом 0 и будет содержать

И» Л А л.

п-1 нулий. сгагввтств-угакщх утят Вт_г Направления

являются оценками максимального правдоподобия углов прихода лучей.

Пдаяюй характеристикой найденных оценок Пт яоляотся граница Рао-Крамора, которая характеризует предельную точность изшрения. В диссертационной робота рассмотрены два подхода к вычислении границы 1'ао-Крамвра. Норный из них - классический, связанный с вычислением элементов и обращением информационной матрицы Фишера,, приводит к крайне сложной для анализа формуле. Второй подход основан на использовании лсимитотачоских глюйсгп оценок максимального правдоподобии и состоит в разложении в ряд Тейлора функции (3). С помощь» этого подхода в работе было получено компактной выражение для корреляциотшой

■ . л * - Л . Л _ Л

матрицы Кдд= <(0-<9>)(0-<В» > ошибок оценок 0т : R^JtT

■ • л л

где Q = ,...,£7уJ; Ret ) - символ вещественной части числа; Hf«s)=

^'Vtf'VWß<V: = I W =

~ T - и.(ш^); T - единичная матрица; о - симпол гоалемонтного произ-ведешя матриц; - <An(uu)J^l(o3k)exp(~J<i>k(tn~tm))>.

На основе фо])мулы (4) были проанализированы потенциальные (предельные) возможности оптимального алгоритма (3) по разрешению сосед. них лучей. В качества критерия разрешения выбран критерий, согласно которому два соседних луча считаются разрешенными, если сроднее значение углового расстояния между ними больше сушы сродне-квадратач-1шх отклонений (ОВД- ошибок оценок углов прпхода лучей.

Для гидролого- скустаческих условий распространения звука в Черном морю, были выполнены расчеты структур" звуковых папой сигнала и шумов моря. IIa рис.1 показана характерная для летних условий структура звукового поля сигнала на апертуре антенны. Амплитуды вертикальных отрезков пропорциональны амплитудам сигналов, распространяющимся по разным лучам, а кх горизонтальные координаты - углам прихода этих лучей. При расчетах предполагалось, что источник излучазт случайный гаусоовский сигнал в окгавной полосо частот 12 47кГц. Сигнал принимался вертикальной эквидистантной антенной, состоящей из 1?. гидрофонов, расположит«« на расстоянии d - c./2fn друг от друга.

Нродсимшиишо на ри«.3 зависимости (сплошные кривые) позволяет определить время наблюдения TQ, необходимое для разрешения двух соседних лучей при заданном отношении сигнал/шум на апертур«

A.v.ío)),^)

i i

-ЯП , -00-

—I——'->-

20° 90° 10Q° Q Рис. /

Лт{1й),г)Б

i . -20-401--1——i-

ßo0 30° /00° V-

Pu, с. 3

PcccAl

антонш. Анагаз этих зависимостей показывает, что для разре,пения пех-х семи лучей (неразрешимых по Ралею) с пошцыо антегаш малых иол новых размеров (порядка нескольких длин волн) -необходимы значительные мюргетичеекко. или временные затраты: превышение на 50-Ю0дБ поротных отношений гагнал/иум (пунктирная кривая), достаточных для обнаружении источника сигнала, или упЕмшчшшя времени TQ до сотен часов. Следовательно можно говорить о невозможности углового разрешения всех лучой п реальных морских условиях.

П пикш с птим, п диссертциоштй работе предложено ¡сшпть за

Д.-1ЧУ |h'C)|4iirof|!4ll лучи» II |1(1Г|«1Ч1ЩИ11ШК>Й IIOCIÍUIOÜIÍO, П ИМСШК), IlíljCj'Vi'll

к модели групп лучей. Это модель шнрежеимирувт пале я(ы,га) срис. I) меньшим количеством Вт лучей (обычно, двумя или тремя). Эти .лучи (рис. 3), гженуемьго в дальнейшем группами лучей, несут в себе основную информации о структура ноля сигнала. С позиции практических пр;д чают оказывается достаточным оценить угли Ъ . прихода групп лучей.

На основе минимизации квадратичного критерия сиибки аппроксимации поля сигнала, шпешпен синтез алгортша определения паржэтров групп лучей. Показано (кривая Г -2' на рис. ?,), что с помочью оптимального алгоритма (.1) тснерь возможно разрешение групп лучой на дистанциях обнаружения.

Г> нринципо, для оцоттаиня углов прихода групп лучей нею i»-жет быть использован оптимальный алгоритм (Я), однако его техническая реализация соцряжиа оо значительными трудностями. Поэтому представляется цапесообразшм использовать га практике болю простые в реализации квазиоптамальшо алгоритмы. Синтезу и анализу точностных характеристик таких алгоритмов поспящена старая гласа. диссертационной работы.

Преэдо всего'были проанализированы. два известных алгоритма: традиционный алгоритм пространственной обработки и алгоритм Кейпона. Установлено, что при имеющих место па практике ограпичошшх на размеры антенны, применение традиционного алгоритма пространственной обработки не позволяет разрешить но углу группы лучей, показанные un рис.3. Алгоритм Кейпона, в ряда случаев, споообон разреигить группа лучей, но при этом нужно иметь достаточно большое отношение сигнал/ шум на.апоментах антенны, которое примерно на 20-30дБ превышает отношение сигнап/аум, необходимое для обнаружения источника сигнала.

В связи с огам по второй главе значительное внимание уделено синтезу структура и анализу эффективности алгоритмов, кспользугапя свойства собственных векторов (СВ) уроР'ВДЗзл

vvvv = yvvvvv-

где > ... > * = ... = = i - упорядо-

ченные по убывании собственные значения (О) уравнения (5).

Выполнен синтез квазтптитпътго алгоритма оценивания углов прихода групп лучей, в основу которого положено использование свойства сигнальных, собственных векторов <РП(<^) n=t,...',Uc уравнения (5). Лри синтезе учтена пирокопалосиость излучаемого источником сигнала и пространственная норрелированность шумов. v ' ""•' .

В соответствии с синтезированным алгоритмом для наясадения оценок Um углов прихода групп лучей необходимо искать глобальный мини- . мум функции fe?

V») = ^spfiy )vs(ukm*k )%(аь)}. (6)

. где V = 'VV = ^t^'-^ac^1~ "ЯфИЧ3»

л • л \

тавленная из Jfc (lie > ifr) сигнальных СВ урашешя ^¿ы^и^п^к^ =

- ..> №й) - подежительно опре-

деленная весовая эрмитовая мапрадз. Координата глобального минимума функции (6) даэт искомые оценки углов прихода групп лучей.

Целевая функция (6) фактически пораадавт целое семейство алгоритмов, соответствующих разным весовым матрица ffiu^i. Все алгоритмы этого семейства дают асимптотически несмещенные оценки углов прихода ' групп лучей, отличавдився друг от друга корреляционными матрицами ошибок, то есть точностями, в работе показано, что самую высокую точность обеспечивает весовая матрица = где

= VV -I; V'V = etag( ) -

символ диагональной матрицы. Этой веоовой мгфице соответствует ква-зиоптималышй алгоритм I (КОЛ. При других весовых матрицах, квазиоптимальный олгортм (6) переходит в известные в литературе алгоритмы. Так для W(u>k) = из (6) следует алгоритм метода наименьших квадратов (1ШК), а для Wfa^) = I - алгоритм UD-WSIC.

Во второй глава выполнен также синтез квазиоптимального алгоритма оценивания углов прихода групп лучей, в основу которого положено использование свойства шумовых собственных векторов 4>п(^) n tir+1,...,N ураинения (5).

Согласно этого алгоритма оценки Vm углов прихода групп лучей являются координатами глобального минимума функции

. V») = y3sp(s+rtot,j«ivuftM'>k)Sftofc)Wf^jj. (Г) k=ki

где %(%) = tVnv( - матрица, составленная из if - Hi-

шумовых СВ.

. Целовал функция (7) пороэдает итороо семейство алгоритмов, как-дому т которых ооотеетствует гапп весовая матрица lVfwfe). В данном случае, самые точный оценки углов прихода груш лучей обеспечивает

весовая матрица W(wk)=iS*(uk)Vs(ßk)As(uk)b~a(ukH]s(u}i)S(wk)l~i ей соответаиует квазиоитимачьный алгоритм 2 (КО?,). Как частные случаи алгоритм (7) включает известные в литературе алгоритмы метода наименьших квадратов (ШПС) iW(v>k) = Р(и>к)), MISIiJ и Писаренко (l'/iw^J = -Л-

Сравнительный анализ алгоритмов KOI," КОЗ, ШИ, WSIC, MD-WSIC и Писармпсо, показан, что наименьшее (ГКО оценок углов прихода групп лучей удается достичь с помощью квазиоптимальных алгоритмов I и 2. Причем, с увеличением времени наблюдения TQ оба алгоритма обеспечивает шт>лциаш1у» точноки» оценок, т. е. достигают г]мницн Гао-Кра-• мора (4). Наиболипоо ОКО оценок (наихудшая точность) иолучаотон »¡ж использовании алгоритмов HP-MUSIC, ÜUSTC и Писаренко. Алгоритм МНК занимает промежуточное положение мезду этими двумя группами алгорит-моп,

. - В р>бото показано, что точностные характеристики' алгоритмов KOI, КОЗ, МНК, MD-WSIC, MUSIC и Писаренко зависят от amnemi корро-jmpoiv«ui(Kiw сигналов в между грунпачш лучей. При малых значениях коыМмциента корреляции р (р < 0,2) илпоршмы КОХ, КОЗ, ШП£, WSTC, и UD-MUSIC дзот близкие друг к другу значения СКО &'и ошибок (рис.4). При сильной корреляции сигналов (f> > 0,8) наиболее точные оценки обеспечивают алгоритмы KOI и КОЗ. Алгоритм М1К уступает им примерно в 1,5 - 2 раза, алгоритма MD-HUSIC, MUSIC и Писарешго - более чем в ото раз.

В третьей глазе иссяедуотся влияние на точностные характеристики алгоритмои КОТ и КОЗ различных дестабштизирудах факторов: ошибок измереиия СКМ шумов; амплитудно-фазовых сш&ж в антенне;

шибок, возникающих из-за неточной информации о*'координатах алиментов аптсшш; ошибок определения углового, нсшшишл итышы.

II ixi'.syjii.raiti иитишошшх иоглпдоиапий жшучоим ргючотныо фо|х.:у лы, которые шклкшют оценивать жаинии гидроагсугличмсих гастон m угловому рнзршппию мпотлучшшх tmnianoU при наличии пе^чкопеп-

, •■/. дестабилизиругедих факторов, а такжо формулировать требования к ¡¡праметрам приемного траста, реализующего прсетраяствонт-вршйшуа обработку гидроакустических сигналов.

Установлено, что для уменьшения влияние ошибок измерения С1Ш шумов следует увеличивать время Ты, отводимое для оценивания элементов этой палицы. В частности, при ~ ОдВ достаточно

выбрать Ты ь 5Т0 , чтобы практически устранить дестабилизирующее алиянио ошибок измерения корреляционной матрицы иудав. Что га касается амплитудно-фазовых ошибок в антонне и ошибок, возникающих кз-за неточной информации о ев прострапствешюм лологории, то их влияние на угловое разрешимо лучей можно уменьшить путем попыиення точности калибровки приемной антенны и использования в приемном трасте элементной бпзц с вигокой врометюй сетбилыюстьи параметров.

Для практического применения квазиоптимапышх алгоритмов I и 2 необходимо знать количество сигнальных или шумовых собственных векторов, а так я:э количество Иг групп лучей. Как правило, эта два параметра неизвестны и подлежат оцетшашю.

В результате исследований, выполнотшх в третей глава, у станов- . лево, что в условиях ограниченного времени наблюдения ?0> корреляция сигналов между грушами лучей ткет стать существенным препятствием, попозюлящим прянмьт оцмпт, кшгичеспю шумовых ссйствошшх векторов. По йтой причина, кпазиоптикалышй алгоритм 2 даэт зашжишую оценку количества групп лучей и его практическое применение стапо-1ШТ(;)1 не и№'К«1ВШ.)М. "

Для кпазиопашалыюго алгоритма I предложен алгоритм оценивания числа групп лучой. ,В процесса работы этого алгоритма оценивается чакжи количество сигнальных собсязонпкх векторов и углы прихода групп лучей.

Идея !Ш'ор|та состоит в следующем. Поскольку целевая функция (6) является мерой близости шзду исходны® данными и аппроксимиру-»«цей их моделью групп лучей, то последовательно .уволичилля число групп лучей и шчисяяя юогветсшуищш км оценки углов даясио повышать точность аппроксимации исходных данных. Этот процесс начинается

• л

со значения числа групп лучей' совпадаищего с оценкой ¿.'с числа сигнальных СЕ, к прекращается как только значение целевой функции (6) (гггшог мопызо шотюрого порога. П рЛт» ткгшю, что порог должен

у|-111!11ниш1игги:!| исход» т тп/, чт ни/мцкмштт ¡ятшжнн '.ЧМ^У) и1|;и|«)| тдашлыго ам^ритмг! .1 ^шммн'ютичеаси (2'0 -• <») распределена

по закону хп квадрат с 2ВД N - Мт)И^ - Иг степенями свободы, где - текущая оценка количества групп лучей, - Ск2-к1+1) - количо- -частот накопления.

Теоретические, результаты, апюсящиеся к точностным характеристикам алгоритма оцоиипшгая числа групп лучей и квгаиоптималыюго а.'' горитма I носят асимптотический характер и получены п прэдпожженш', что время пайтоденип ?0 - <». В реальных условия оно всегда ограничг но и редко превышаем несколько секунд. В связи с этим, в четвертой главе диссертацинпой работа выполнены экспериментальные исглэдовшии:' .'■ффоктюшости алгоритма оценивания числа групп лучей и квазиоптимального алгоритма I в условиях огршичетого времени наблюдения. Я этой главе пропнализировтш тшкко вычислительпге затраты, необходимые для технической реанимации отих алгоритмов.

Для глобальной минимизации целевой функции (6) предложено ис-пол()зовать двухактную вычислительную процедуру. На первом ее этапе с помощью'метода покоординатного спуска находятся предварительные оценки, направлетшй прихода групп лучей. На физическом уровно этому птапу соответствует формирование пространственных каналов, число которых совпадает с числом групп лучей, и поочороднео сканирование диаграммами направленности отих каналов в заданном езкторо вортикаль-иых углов. На втором огапо производится уточнонио пайдетщх оценок углов с пошцыэ метода Гаусса-Ньютона Физическ/ ото процедура эквивалентна сканировании уже всеми диаграммами направленности одновременно. Анилин вычислительных затрат, сопутстпущих оцеяшванию направлений прихода г-рупп лучей, показал, что техническая реализация КГ)г (П) окааииапгем проще, чем оптимального алпориша (О).,

На основании вычислительных экспериментов установлено, что па диоттщиях обняружтшя о помощью кппзиоптшалыюго алгоритма Г мо:шо получить пос.мшцепшл« (рис.5) и оффытшные (рис.й) оценки углов прихода двух групп лучей (но разрешимых-по Ралев), если длительность Т проданного интервала наблюдения составляет 0,5 секунды. Результата расчетов, нродогашганшо на рис. 5,6 относятся к лучу порвой группы (рис.3, !? = 01,65°). Сплсшпп линия на рис.5,6 соответствует тооро-тичоским результатом, кроеткками указаш экспериментальные результаты, пунктирной линией - границы 99% доверительного интервала.

Кгли количество групп лучей заранее неизвестно и подлоги? оцч-нивонию, то как показано в работе, время наблюдения Та доятао бмть увеличено до I, Ос.

Экспериментально подгоорздона эффективность синтезированного

д4, г/>а$

уТ-г*-,

алгоритма оценивания числа групп лучей в условиях Черного шря при характерных для пракпгки ограничениях на время иайявдвния (Г0 < Г Ос; и о'шошшгао сипим/юум (в$АУеы £ О дБЛ Показало, что с его гошцыэ можно разреши, двэ группы лучей (не разреиише по Радею) иа дисгган-ции обнаружения источника сигнала. \ ••

0СШ8ШЕ НЗЗУЛЬТАТМ РАШИ

Основгше резулшян работы сводятся к следующему. Г. Оитши|юнан оптимальный (по критерии максимума функции правдоподобии) алгоритм оценивания углов прихода сигналов, распространяющихся в гидроакустическом волноводе по различным лучевым траекториям. Алгоритм учитывает шрокополосность источника иалучеиия, наян-' чш анизотропных шумов моря и пригоден для обработки напряжений как на выходах элементов антенны, так и на выходах пространственных каналов. •

Я. Получено комнатное иирцшшо дли границы 1"т Крамера оценок углов прихода лучей, найденных с немощью оптимального алгоритма. Ро-

зулкяггы рал ото», выполненных на основа этого выражения, показа что в реальных морских условиях для разрешения пяти и более пера, пшмых по Раяев лучей необхада.йг значительные энергетические или »: мвгашв затраты: прештэнш на 50 - ГООдБ пороговых отношений сиги шум, достаточ1шх дли обнаружения сигнала источника, или увеличенг. 1!]ч':мони наблюдения до досятков и оотеп чатов. В связи с этим, моан • гонорип. о ирмстичеьной невозможности углового разрешения всех лу чей.

3. Предложено решать задачу разрешения лучей в нетрадиционной постановке, связанной с концепцией модели груш лучей. Модель грута лучей аппроксимирует исходное поле небольшим (обычно двумя-тремя) количеством лучей, которые несут в себе основную информацию о структур/) поля сигнала. Показано, что с помощь» оптимального алгоритма возш:то разрешение* групп лучей на дистанции обнаружения источшта сигнала.

4. Выполнен "синтез квазиоптю.шьных алгоритмов (K0I и КОЗ) оценивания углов прихода групп лучей, в основу которого положено использование свойства сигнальных и шумовых ообствешпах векторов спек-трально-корроляциошюй матрицы поля на апертура приемной антетш. При сгаггезо учтена иирокополоеносгъ излучаемого источником сигнала

и пространственная кОрролированность шумов.

Показано, что принятый в работе'метод синтеза порождает целое семейство алгортиоп, которые как частныа случаи вклвчают известные »'литературе алгоритмы метода наименьших квадратов (Ш1К), многомерный ÜVSIC (UD-WSIC), MirsIG и Писарешко.

5. Плчгалнвн сравнительный анализ эффективности алгоритмов КОТ, 1103, ШВС, ШЩО, MD-ßUSIG и Писаренко, в результате которого установлено, что на дистанции обнаружения источника сигнала самыо точные оценки углов прихода групп лучей дают квазиоптимзлыше алгоритмы K0I и К02. Причем, с. увеличением времени наблюдения оба алгоритма позволят достичь границы Рао-Крамерз.

. Петицию также, что точность оценок углов прихода rpyim лучой существенно зависит от степени корреляции сигналов между группа'.« лучой. С ушлич опием значения коэффициента корреляции становится особенно очевидным прпимугрклип алгоритмов КОТ и КОЯ пород остальными шнмрИ'мл'.й. .

G. Исследовано влияние на точностные характеристики квазшпта-шльгшх алгорютюв КОГ и 1102 различных дестабилизирующих факторов: шибок измерения спектрально-корреляционной матрицы шумов; амплитуд-

- lö -

.г, ф;скшых ошибок н штате; ошибок, возникающих из-аа irawimfl ин~ ищмгтии о координатах элементов шггеииы; ошибок определения углового положения антенны. Показано, что за счет повышения точности калибровки антенны и использования элементной базы о выоокой временной стабильность») можно уменьшить влияние этих ошибок до практически приемлемых значений средае-квадраггаческих отклонений равных 0,5° -

7. Синтезирован алгоритм оценивания числа груш лучей с произвольной степенью коррелированное™ сигналов. С помсицыо вычиыштель-Ki« шдтдарэдона эффективность этого алгоритма в условиях Чернохта моря при характерных дня практики ограничениях на время наблюдения и отношение сигнал/шум.

8. Предложена .двухэтапная вычислительная процедура оценки углов прихода групп лучей с помощью квазиоптинального алгоритма KOL На нервом ее этапе с помощью метода покоординатного спуска находятся предварительные оценки надравяэний прихода групп, лучей. На втором этапе производится- их уточнение с помощью метода Гаусса- Ньютона.

Проанализированы вычислительные затраты, необходимые для технической реализации квазиогадаапыюго алгоритма K0I и показано, что его реализация оказывается значительно проще, чем оптимального алгоритма.

Основные результата работы отражяш в следующих публикациях:

1. Анттк С. II., Красный Л. Г. Разрешение источников акустических сигналов в волноводе // Акустический журнал. - 1933. - 7.39, N3.-0.404-413. ' ,

2.Ашшвк С.П., Красный Л.Г. Точностные характеристики проекционного алгоритма сверхразрешения шрокололосшя многолучевых сигналов // Судостроительная промышленность. Сер. Акустика. - ЗЭ91. -Вып. 47с. - С. 37-45.

3. Антонин С. П., Красный Л. Г. Алгоритмы сверхразрешения широкополосных многолучевых сигналов, ориентированные на применение мю-гопроцесоорных вычислительных средств // Тез. докл. можотр. науч. -'тьхйТ'Ьдтшра, Усть-Иарва, тр. 1991 г. - Л.:НПО "Окаанприбор": ле-нкнгр. алектротахн. инст. ,1391. - С. 14.

А.Антошк С,П., Красный Л.Г. Точногят<0 характеристики проекционных методов сверхразрешения многолучевых сигналов // Судостраи-толыш промышленность. Сер. Акустика. - 1989. Вып. 31с. - С. 31-38.