Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Основным источником временных флуктуаций являются, как предполагается, внутренние волны, вызывающие изменение скорости распространения акустической волны. Частотный диапазон внутренних волн простирается от инерциальных и прплпвных частот, равных одному периоду в день, до частоты Вяйсяля, обычно имеющей величину порядка нескольких периодов в час. Изложение физических основ возникновения внутренних волн в океане можно найти в ряде работ; однако в целом влияние внутренних волн сводится к возбуждению флуктуаций тональных сигналов Рис.
6.10. Примеры отражений от морского дна в одном и том же месте на нескольких частотах. и — ссисмическпс сигналы, частоты Π— 1ОО Гп;  — измерение зколотом на частоте 3,5 кГц; в — измерение фазометрои на частоте 13 кГп (К)чОйн, маршрут № 31, линия № 3 Океанографического института в Вудс-холтс, фотографии предоставлены дж Остапом), Глава б 388 Обработка сигналов в гидролокации 389 при распространении их в океане на большие расстояния ~34— 36~. Так как тональные сигналы представляют особый интерес для пассивных гидролокационных систем, то в последнее время изучению внутренних волн уделялось особое внимание. Создаваемые ими флуктуации обычно имеют частоту порядка десятков миллигерц, так что длительность импульсных характеристик моделирующих фильтров составляет сотни секунд. На более высоких частотах приходится учитывать влияние турбулентности и движения водной поверхности на размытие спектра сигнала.
По-прежнему предметом активных исследований остается пространственная когерентность акустических сигналов. Обычно значения расстояния когерентности (для случая плоской акустической волны) составляют 10 †1 длин волн для разнесения в горизонтальном направлении и менее 10 длин волн для разнесения в вертикальном направлении ~37~. С учетом слоистости океана наличие этой анизотропии представляется вполне нормальным явлением.
Степень пространственной когерентности оказывает существенное влияние на характеристики системы обработки сигналов антенной решетки гидролокатора. Уменьшение корреляции плоской акустической волны вдоль раскрыва антенной решетки приводит к ограничению предельно достижимого разрешения независимо от размера решетки; помимо этого, приходится использовать новые, нетрадиционные алгоритмы обработки сигналов, отличные от прямых алгоритмов синтеза диаграммы направленности. 6.2.5. Платформа и водная среда Независимо от того, где находится судно, на поверхности или в погруженном состоянии, водная среда всегда оказывает существенное влияние на все его механизмы и устройства.
Поэтому требуется тщательное проектирование даже сравнительно простых передающих и приемных гидролокационных систем. Многочисленные экспериментальные исследования, в которых использовались очень сложные, а иногда и уникальные методы обработки сигналов, заканчивались неудачей только в результате того, что системы, предназначенные для работы в океане, имели недостаточную механиче" кую прочность. Этому вопросу посвящено несколько соответствующих работ, и ниже он рассматриваться не будет; изложим лишь некоторые соображения, существенные с точки зрения обработки сигналов ~38~.
Любая система акустического преобразования будет в конце концов всегда подвергаться механическому еоздействию со стороны волн, образующихся на поверхности океана илп вблизи нее. Шум, возникающий при обтекании гидрофонов движущейся платформы, может быть очень существенным. В процессе проведения наблюдений точность систем ограничивается акустическими шу- мами, вибрацией и неопределенностью положения антенны. Одна из наиболее тяжело преодолимых трудностей при работе в океане — огромное давление.
Внешнее давление возрастает на 1 атм при погружении на каждые 10 м, поэтому оборудование для работы на больших глубинах должно выдерживать давления, превышающие 350 Па. Кроме того, такие высокие давления приводят к ухудшению чувствительности приборов. В заключение отметим, что водная среда обусловливает интенсивную коррозию металлов, поэтому должна быть предусмотрена специальная антикоррозийная защита. Таким образом, для водной среды, как ни для какой другой, нельзя создать идеальные преобразующие системы. Кроме того, из-за огромных давлений большие глубины остаются практически недоступными (исключение составляют специальные эксперименты, связанные с погружениями), поэтому приходится использовать очень дорогостоящие системы дистанционного управления гидролокаторов. Непременным условием успешной работы системы обработки сигналов является учет всех перечисленных ограничений, вносимых водной средой.
Одним из существенных преимуществ развиваемых в настоящее время цифровых систем является их универсальность, что позволяет приспособить их к особенностям водной среды и компенсировать влияние этой среды с точностью, недоступной для аналоговых систем. 6.3.
Цифровая обработка сигналов в активных гидролокационных системах При освоении океана в экономических, научных или военных целях основной метод получения информации о нем основан на применении активных гидролокационных систем, осуществляющих излучение акустической энергии в воду и последующую обработку принимаемых эхо-сигналов. Ниже будут рассмотрены два взаимно связанных вопроса обработки сигналов активной гидролокационной системы: во-первых, необходимость обработки принятых сигналов, используя наиболее эффективные алгоритмы, и выделяя необходимую информацию и, во-вторых, выбор таких зондирующих сигналов, чтобы представляющие интерес параметры приемной системы можно было оптимизировать.
В данном разделе анализируются особенности обработки сигналов в активных гидролокационных системах. Относящиеся сюда вопросы указаны в табл. 6.1. Горизонтальное направление соответствует обычному порядку прохождения данных в гидролокационной системе. Сначала выполняется первичная обработка принятых колебаний. Как правило, первичная обработка заключается в реализации согласованной фильтрации того или иного вида или комбинации разных видов фильтрации.
Затем выполняется обработка, предназначенная для учета водной среды. На этом эта- Обработка сигналов в гидролокации 391 Глава б 390 Таблица б.1 л1атериал, относящийся к разделу, посвященному цифровой обработке сигналов в активных гндролокационных системах обработка последовательностн импуль- сов Учет окружающей среды Первичная обработка Модели Сверлинга, алгоритмы сопровождеиия и калмаиовские фильтры Точечные отражагели, размытие по даби насти и доплеровской частоте за гчст водной среды, функция рассеяния и двухчастотная корреляционная функция Корреляторы, согласованные фильтры, функции неопре- деленности Теория и моде- ли Линии задержки с отводами, обработка в частотной области Системы временного сжатия, цифровые КИХ-фильтры, основанные на алгор|пмах БПФ Примеры реа лнзации Интеграторы импульсов, мини- ЦВМ, микропро- цсссоры Примеры при- менений Обнаружение цели и измерение дальности и (или) доплеровского смещения, сопровождение и навигация, связь, профилирование и картографирование пе исходными отсчетами являются результаты первичной обработки, а учитываются такие эффекты водной среды, как многолучевость и доплеровское размытие.
На заключительном этапе производится анализ целей. Информация, полученная после обработки последовательности импульсов, анализируется для оценки структуры цели и параметров ее движения. По вертикали в табл. 6.1 выделены три уровня реализации системы. Первый (сверху) соответствует теории и моделям, используемым при выборе структуры системы и ее построении. Далее следует уровень реализации соответствующих теоретических положений; здесь неизбежно приходится искать некоторое компромиссное решение, так как теоретическое «оптимальное» устройство может быть реализовано на практике только в редких случаях.
Для сравнительной оценки подоптимальных систем используется теория, позволяющая количественно оценить потери в той или иной структуре. Заключительный этап — применения. Он должен объединять как теоретические положения, так и вопросы реализации, относящиеся к каждому из этапов обработки, чтобы была обеспечена возможность создания системы в целом. В процессе изложения материала будут последовательно рассмотрены все горизонтальные ряды табл. 6.1. Сначала будет дан краткий обзор теории и моделей, используемых при проектировании устройств обработки гидролокационных сигналов, а затем описаны наиболее важные и широко распространенные модели.
В заключение будут рассмотрены некоторые системы обнаруже- ния, определения дальности и доплеровского смещения, а также системы сопровождения и навигации. 6.3.1. Сигналы активных гидролокационных систем. Корреляторы и согласованные фильтры. Функции неопределенности Выбор той или иной формы сигнала для активной гидролокационной системы в значительной мере определяется имеющейся аппаратурой, используемой в передатчике для генерации и в приемнике для обработки. Несмотря на то что аппаратура непрерывно совершенствуется, общая структура системы, основанная на корреляционном анализе, по существу остается неизменной. Основные усилия направлены на создание такой эффективной процедуры синтеза сигналов, чтобы ее можно было реализовать на существующей аппаратуре и чтобы она позволяла улучшить корреляционные свойства сигналов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
