Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Если прием производится вблизи судов, то зачастую по акустическим шумам судов удается определить как,направления на отдельные суда, так и спектры их шумов. Описание пространственной структуры внешнего шума возможно в спектральной области; обычно для этой цели используется волновая векторная (функция от волнового числа. Свойства этой функции аналогичны свойствам спектров в~ременных функций. Оценки временнбй и пространствен~ной структур поля внешнего шума через его энергетический спектр и(или) функцию волнового числа имеют особенно важное значение для пассивных гидролокацион~ных систем.
Ниже этот вопрос будет .рассмотрен значительно подробнее, Реверберационный шум образуется за счет того, что энергия, излучаемая активной системой, отражается от посторонних объектов, отличных от представляющих интерес целей. С точки зрения происхождения реверберационный шум часто подразделяют на граничный и объемный. Объемная реверберация создается за счет рассеяния на частицах или пузырьках, содержащихся в воде. Существует несколько источников объемного рассеяния в воде. Чаще всего приходится иметь дело с глубинным рассеивающим слоем, пузырьками воздуха и взвешенными частицами. Глубинное рассеяние имеет биологическое происхождение. В течение дня глубинный рассеивающий слой перемещается на 200 — 1000 км; в диапазоне частот 1,5 — '25 кГц он имеет несколько селективных резо.нансов.
Пузырьки воздуха образуются в,воде за счет работы двигателей судов и турбулентности поверхностного слоя воды. Хотя доля пузырьков воздуха в воде очень незначительна, создаваемое ими рассеяние достаточно велико за счет того, что ихплотность сильно отличается от плотности воды. Пузырькам воздуха также свойственны ярко выраженные резонансные эффекты, обусловленные колебаниями пузырьков. Кроме того, в воде содержится большое количество различных взвешенных частиц, начиная с больших, таких, как рыбы, и заканчивая малыми — типа планктона, причем все они могут рассеивать энергию. Главный вывод заключается в том, что объемная реверберация существует всегда и может сильно ограничить возможности гидролокационных систем. Причиной граничной реверберации является наличие отражений от водной поверхности и дна океана.
На больших расстояниях по горизонтали от источников звука граничная реверберация вообще начинает играть преобладающую роль, так как акустическая волна распространяется посредством многократных отражений от границ водной среды. Характеристики этих границ оказывают существенное влияние на характер распространения акустических сигналов, поэтому ниже они будут рассмотрены отдельно. Хотя для понимания природы реверберации важно знать ее истинные механизмы, с точки зрения обработки сигналов нас будет прежде всего интересовать, как акустическая энергия, рассеянная при реверберации, связана с дальностью, доплеровским смещением частоты и направлением в пространстве.
В качестве модели реверберационного рассеяния удобнее всего использовать линейный фильтр со случайными коэффициентами, зависящими от времени и, возможно, от направления в пространстве. Для статистического описания таких фильтров, моделирующих реверберационное рассеяние, часто применяются функции рассеяния. С помощью этих функций или подобных им и применяя статистический подход, делается попытка количественно описать рассеяние акустической энергии в среде в зависимости от дальности и доплеровского смещения частоты.
Эти функции играют важную роль при выборе эффективных сигналов активных гидролокационных систем, поэтому они будут рассмотрены ниже в разделе, посвященном активным системам. 6.2.3. Взаимодействие гидроакустических сигналов с границами При простейшем описании влияния поверхности океана и его дна на акустические волны считается, что обе эти границы удерживают энергию акустических волн в пределах некоторого водяного столба.
Поверхность океана, например, часто рассматривается как граница свободного пространства с коэффициентом отражения, равным — 1, а дно — как граница раздела с частично твердым грунтом, для которой коэффициент отражения составляет, как правило,, 0,,01 — 0,3 (т. е. от — 40 до — 10 дБ). Хотя во '-84 Глава б Обработка сигналов в гидролокации 385 многих случаях такое описание границ является вполне достаточным, на самом деле происходящие на границах процессы носят намного более сложный характер, поэтому необходимо их рассмотреть более подробно. Дно можно описать, указав, как оно отражает акустическую энергию (основной характеристикой является отражательная способность) и как рассеивает (или «размывает») энергию во времени. И отражательная способность, и временное рассеяние энергии являются частотно-зависимыми характеристиками. Для изучения отражательной способности дна было проведено множество экспериментов, которые позволили установить следующее ~27— 30~.
Наибольшие отражения наблюдаются от скалистого дна, покрытого сильно уплотненным мелким песком, а наименьшие — от илистого илп грязевого дна. Важную роль играет также и топографический рельеф дна; если характерные размеры рельефа превышают одну восьмую длины звуковой волны, то может иметь место интерференция отраженных волн, которая приводит к усилению или ослаблению отражения от дна. Особенно сильным будет влияние топографического рельефа на высоких частотах (т.
е. на коротких волнах), где не требуется, чтобы размеры рельефа были большими. К числу важных параметров относится также и угол скольжения звуковой волны, через который записывается обычно аппроксимируемая законом Ламберта индикатриса рассеяния, имеющая в этом случае вид з1п'О, где 0 — угол скольжения. При малых углах скольжения эта зависимость сглаживается за счет влияния рефракции. Степень временнбго рассеяния (размытия) акустической энергии от дна сильно зависит от частоты сигнала.
На высокой частоте (например, при частоте глубиномера 12 кГц) обычно наблюдается размытие, не превышающее 10 мс (оно соответствует распространению по двум трассам и эквивалентно расстоянию 8 м). На частоте 3,5 кГц, чаще всего используемой в гидролокации, время проникновения волны составляет 50 — 150 мс, т. е. глубина проникновения приблизительно равна 100 м. Для изучения ближайшего к воде донного слоя можно воспользоваться эхолотом, работающим на частоте 3,5 кГц. Так как сейсмические сигналы имеют спектральные компоненты на частотах ниже 100 Гц, то они могут проникать глубоко под дно океана.
Современные сейсмические системы обеспечивают обнаружение отражений от сейсмических границ в недрах Земли на глубинах 10 — 20 км и рефракций на глубинах 30 — 50 км (подробнее об этом см. гл. 7). Важной особенностью работы гидролокационных систем, когда часть акустической энергии распространяется под дном океана, является то, что высокочастотные компоненты акустического сигнала сильно затухают в земных породах.
Часто это затухание описывается лроизведеннем а~, причем а может принимать значения в диапа- зоне 0,5 — 10 дБ/км Гц (30]. В результате, несмотря на то что возможно проникновение акустических колебаний на очень большую глубину под дном океана, основная доля энергии отраженных волн, используемая в гидролокаторах, соответствует неглубокому проникновению акустической волны.
На рис. 6.10 для иллюстрации сопоставлены отражения от морского дна, наблюдавшиеся в одном и том же месте на разных частотах. При отражении акустической волны от водной поверхности также возникают эффекты, имеющие важное значение в гидролокационных системах. Отражательная способность границы вода— воздух велика просто из-за большой разницы акустических импедансов обеих сред. Кроме того, за счет неровностей водной поверхности может наблюдаться временнбе размытие сигнала, а из-за движения волны его спектр будет иметь доплеровское размытие. При малых углах скольжения могут сказываться и рефракционные эффекты. Вообще характер рассеяния акустической волны водной поверхностью определяется главным образом следующими тремя параметрами: скоростью ветра, углом скольжения и частотой сигнала.
Основное влияние на частотную зависимость отраженной волны оказывает степень шероховатости поверхности, на которую падает акустическая волна. Если средняя высота волн водной поверхности, отнесенная к длине акустической волны, меньше чем э1п(0)/8, то можно считать, что поверхность гладкая и является зеркально отражающей. Для более коротких длин волн и меньших углов скольжения можно воспользоваться многочисленными публикациями, посвященнымп теории рассеяния волн шероховатыми поверхностями [31 — 331. Если гидролокационная система имеет широкую диаграмму направленности и работает на высоких частотах, необходимо учитывать также временное размытие сигнала, обусловленное различными задержками за счет многолучевого распространения через водную среду с неровной поверхностью.
Общее влияние эффектов, возникающих на границах водной среды, на обработку сигналов может быть очень значительным. В активных системах они часто обусловливают наибольшее размытие (или рассеяние) энергии акустических волн. Для пассивных систем все эти эффекты, как правило, не так важны, хотя в некоторых случаях влияние границ на затухание акустических волн вдоль трассы распространения от источника к приемнику может оказаться очень существенным. 6.2.4.
Флуктуации и когерентность акустических сигналов Так как за последние несколько лет существенно повысились универсальность и эффективность оборудования и программ, применяемых для обработки гидролокационных сигналов, возникла необходимость оценить влияние водной среды на предельные па- 25 — 359 Глава б 386 Обработка сигналов в гидролокации 387 3 О О 3 О О ;5оо 3 а с яя ° -ес-:Г раметры гидролокационных систем.
Так, например, не следует рассчитывать на использование узкополосных фильтров со сколь угодно узкой полосой пропускания или на интегрирование с большой постоянной времени. Точно так же нельзя строить очень большие антенные решетки и при этом надеяться на получение чрезвычайно высокого углового разрешения. В тамом деле, на трассах распространения всегда имеет место некоторое перемещение воды, которое приведет к размытию спектра сигнала по частоте, и, кроме того, в условиях многолучевого распространения всегда появятся такие дополнительные трассы, которые ослабят корреляцию волнового фронта вдоль раскрыва антенной решетки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
