Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Длительность импульсной характеристики канала определяется многолучевой структурой океана и тем, в какой мере эта структура используется гидролокационной системой; временные вариации учитывают наличие любых доплеровских эффектов, возникающих в процессе распространения и отражения акустических сигналов. Вследствие неопределенности предсказания задание импульсной характеристики Ь (т, Л) является весьма сложной задачей; поэтому эта характеристика рассматривается как случайный процесс и описывается первым и вторым моментами. (Отметим, что поскольку характеристика представляется гауссовским случайным процессом, то описание ее с помощью моментов является полным.) Первый момент, т. е. среднее, как правило, равен нулю вследствие фазовой неопределенности.
Второй момент, называемый функцией ковариации, содержит важную информацию, относящуюся к статистической природе канала; обычно для описания второго момента используется функция рассеяния. Метод описания случайных каналов и среды распространения, основанный на использовании функции рассеяния, применялся многими исследователями в различных областях техники 144— 50, 41, 51 — 53]. Тем не менее, несмотря на существенные различия описываемых сред, в целом используемые при этом предположения имеют много общего (наиболее общий подход описан в работе 147]). К числу наиболее важных относятся предположения о стационарности и некоррелированности рассеяния. Предположение о стационарности означает, что рассеяние (или отражение) в дальностном интервале представляет собой стационарный случайный процесс (в частности, он может быть постоянным, если в канале не создается доплеровского размытия).
Предположение о некоррелированности означает, что рассеяние (или отражение) некоррелировано по дальности. Используя оба эти предположения, запишем следующее выражение для ковариации реверберационного сигнала: К;Д, ~„, Л) =Е, КЯ,— 1,Л)з,(У,— Л)в*,(~,— Л)АУЛ, (6.16) где К, — ковариация рассеяния как функция задержки распространения,Л, Кь — ковариация наблюдаемой реверберации или рассеяния.
В общем случае удобнее пользоваться энергетическим спектром отраженных сигналов как функцией расстояния (запаз- 406 Глава 6 Обработка сигналов в гидролокаиии 407 Вью, Х)= К;,(т, Х)е ""'1т. (6. 17) (6.19) ~Сигнал/шум = Щ~, ~) = — ~ г„ф Х) е"'"' ШХ. (6.18) дывания); в этом случае функция рассеяния записывается в виде Физический смысл этой функции заключается в следующем: она дает статистическое описание перераспределения энергии по даль- Рис. 6.15, Функция рассеяния моря, типичная для летних условий п глубины 0,6 — 1,2 м (из [531).
ности и доплеровскому смещению. Если выполнить преобразова- ние Фурье по запаздыванию, то будет получена двухчастотная корреляционная функция Она описывает корреляцию сигналов после рассеяния как функцию частоты. Акустический канал создает в основном размытие по дальности, хотя может быть существенным и размытие по доплеровскому смещению, обусловленное водной поверхностью и движущимися целями. Существует сильная связь между методом использования канала и типом трасс распространения акустических волн. В последние годы было проведено много экспериментов с целью измерения функций рассеяния акустических сигналов, Некоторые результаты, относящиеся к сравнительно небольшим дальностям при однолучевом распространении акустических волн, в качестве иллюстрации представлены на рис. 6.15.
При использовании моделей функции рассеяния для проектирования системы обработки сигналов активного гидролокатора следует учитывать несколько важных моментов. Необходимо, чтобы и модель рассеяния мешающего реверберационного шума, и модель отражения от цели были описаны достаточно строго. Кроме того, проектирование гидролокационных систем, предназначенных для обнаружения целей, измерения дальностей до них и доплеровского смещения, а также систем связи требует в каждом случае особого подхода. На рис. 6.16 представлены алгоритмы обработки сигналов для перечисленных выше случаев, учитывающие модели среды. Если для обнаружения медленно перемещающейся цели в присутствии реверберационного шума используется коррелятор или согласованный фильтр, представляющий собой, как правило, подоптимальное устройство, то отношение сигнал/шум описывается формулой с (~," ) функция реверберационного рассеяния, Л'о — Уро вень белого фонового шума, Е~ — излученная энергия, и', — ЭПР цели и Π— функция неопределенности зондирующего сигнала.
Из этой формулы можно сделать несколько выводов относительно методики синтеза эффективных сигналов и характеристик гидролокационных систем, работающих в водной среде с реверберацией. Прежде всего можно выделить два случая. Если значение интеграла в знаменателе намного меньше единицы, то считают, что в этом случае возможности системы ограничены фоновым (или белым) шумом. С физической точки зрения это означает, что реверберация не оказывает существенного влияния на процесс обнаружения, для которого решающую роль играет принимаемая энергия.
Если же этот интеграл значительно превышает единицу, то возможности системы ограничиваются реверберацией. В последнем случае увеличение излучаемой энергии приведет просто к росту и сигнала, отраженного от цели, и реверберационного шума, так что не будет достигнуто никакого улучшения отношения сигнал/шум. Для улучшения характеристик системы в этом случае может быть использована только методика синтеза эффективных сигналов, что является вторым важным выводом. Характеристики системы определяются тем, как перекрываются функция неопределенности, смещенная в соответствии с дальностью и доплеровским смещением цели, и функция рассеяния.
Методика синтеза эффективного сигнала как раз и ориентирована на минимизацию перекрытия. Для этого сигнал подбирается таким образом, чтобы его функция неопределенности была очень узкой либо вдоль дальностной оси, что соответствует стробированию по дальности, либо вдоль доплеровской оси, что обеспечивает стробирование по доплеровскому смещению (рис. 6.17). Легко убедиться в том, что при работе в среде с реверберацией использование ча- 409 Обработка сигналов в гидролокаиии 408 Глава 6 КвадрапчурнБ й двмодулирооанный сигнал вменения /~ )аЧ т/ТР И-т~)е з Корреляционный приемник ,Двотекп ар огиданзгцейс' згвадрагпинной харакптерисптиной гтт ) Ио Ър °:- анализ Квадрагпурный демодулированный сигнал И Квадратурный- 1,О МО,О ~)в"л б ОООО 1 2л'гтфйо Й,тнка амвона Корреляционные пригмнини для каждой разрешаемой буммирование со взвшива/лрассы "ниемпо всем птрассам Рис.
6.16. Блок-схемы приемников некоторых гидролокационных систем. а — для обнаружения точечных целей; б — для обнаружения протяженных целей в присут- ствии реверберации; в — связной приемник, ~~1 ф р т"'~ ОО Рпс. 6.17. а — перекрытие функции рассеяния с функциями неопределенности монохроматического и ЛЧМ-импульсов прп реверберации, распределеннои по дальности: о — ухудшение характеристик для случая, соответствуюшего а, в зависимости от отношения полос сигнала и шума реверберации (из [421 Ь аффективная ревербсрация, отнесенная к мошностн сигнала. стотно-модулированных сигналов имеет определенные преимущества. Так, иа рис. 6.17,а сопоставлены области перекрытия для монохроматического импульса и ЛЧМ-импульса одинаковой длительности.
Для ЛЧМ-импульса уменьшение перекрытия примерно пропорционально базе ЛЧМ-импульса рТ2. Ухудшение характеристик за счет реверберации в зависимости от отношения полос ЛЧМ-импульса и шума реверберации показано на рис. 6.17, б. За счет большой девиации ЛЧМ-импульса влияние реверберации 410 Глава б 411 Обработка сианалов в аидролокации можно свести к минимуму. Однако частотно-модулированные сигналы не всегда имеют преимущества.
Действительно, если между эхо-сигналом от цели и реверберационным сигналом имеется доплеровское смещение, целесообразно, чтобы функция неопределенности была узкой вдоль доплеровской оси, как это имеет место для сигналов без частотной модуляции. Более подробно задача оптимизации сигнала рассмотрена в [41].
При обнаружении распределенных целей, а также в системах подводной акустической связи требуется несколько более сложная обработка, чем простой корреляционный прием, используемый применительно к точечным целям. В этих случаях приемник, близкий к оптимальному, включает корреляционные приемники для каждого из разрешаемых элементов дальность — доплеровское смещение. Общий выходной сигнал представляет собой сумму выходных сигналов всех корреляционных приемников.
Разрешающую способность и число разрешаемых элементов можно найти, используя функцию рассеяния и двухчастотную корреляционную функцию зондирующего колебания. Коэффициент корреляции между выходными сигналами двух согласованных фильтров (т. е. корреляторов), соответствующих координатам (х1, ~~,) и (т., ~и ) на плоскости дальность — доплеровское смещение, описывается выражением Структура приемника, выполнящего обработку, соответствующую этому выражению и учитывающую влияние водной среды, представлена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
