Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 91

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 91)

Компенсация доплеровского смещения состоит просто в выполнении операции преобразования частоты, которое проводится, как правило, на рабочей, т. е. центральной, частоте сигнала, но может также осуществляться и в цифровой форме над отсчетами сигнала, дискретизованного в основной полосе. 6.3.5. Реализация алгоритма обработки, учитывающего влияние окружающей среды Обычно процессы распространения и отражения сигнала в акустическом канале настолько сложны, что для их моделирования применяют фильтры и функции рассеяния со случайными параметрами, которые были рассмотрены выше.

Эффективность обработки сигнала с использованием подобных моделей окружающей среды зависит от того, насколько точно известна функция рассеяния или какая-либо эквивалентная ей характеристика, а также от степени универсальности системы обработки сигналов, которая необходима для адаптации системы к неизбежным изменениям окружающей среды. Часто для получения оценки функции рассеяния можно использовать метод, основанный на определении океанографических переменных, таких, например, как профили скорости распространения звука (их можно либо взять из имеющихся таблиц, либо; получить из измерений), и применении адаптивной обработки соответствующего типа. Полученную информацию о процессе рассеяния акустической волны необходимо представить в форме, необходимой для обработки сигналов в приемнике.

Сказать еще что-либо о задаче обнаружения затруднительно, так как ее решение слишком сильно зависит от конкретных условий; ведутся интенсивные работы в направлении разработки универсальных методов решения этой задачи. Поэтому ограничимся тем, что кратко обрисуем, как может осуществляться обработка сигналов при наличии реверберации. При этом основное внимание будет уделено особенностям алгоритма обработки и перспективам его развития. Во-первых, отметим, что такие параметры, как длительность сигнала Т, продолжительность реверберации Е, ширина полосы сигнала К и ширина спектра доплеровского размытия В, связаны между собой определенными соотношениями и подчиняются ряду ограничений.

Кроме того, в акустическом канале за счет преобладания некоторых трасс распространения рассеяние часто имеет концентрированный характер. Во-вторых, по каналам с размытием имеется много литературы, причем она относится не только к гидролокации, но и к радиолокации, радиолокационной астрономии, к системам ионосферной и тропосферной связи. В некоторых из указанных областей техники эти вопросы проработаны более детально, чем в гидролокации. Во многих случаях обработка гидроакустических сигналов с учетом окружающей среды выполняется с использованием модели, имеющей вид фильтра со случайными параметрами, которая описывается соотношением (б.15) и базируется на линии задержки с отводами.

Если полоса сигнала ограничена величиной К, а длительность реверберации — величиной Е, то для моделирования принимаемого сигнала при наличии реверберации можно использо- Глава 6 424 425 Обработка сигналов в гидролокаиии ~,+); се уеицу 1руниции ~уассеяиия вать блок-схему, изображенную на рис.

6.21, а ~63 — 65]. Сигнал, формируемый в такой схеме, имеет вид 2%'1. + 1 к,я=~~ ~звяк,(~— 1=1 где Ь; (1) — набор случайных, изменяющихся во времени коэффициентов усиления по отводам, которые следуют через интервалы времени, обратные ширине полосы излучаемого сигнала. Используя несколько слабых ограничений, можно показать, что коэффициенты усиления в отводах ЛЗ представляют собой некоррелирс~- ванные стационарные случайные процессы, энергетические спектры которых пропорциональны сечениям функции рассеяния по дальности $б (~, 1/297), соответствующим Х= 1/297 (рис.

6.21, б) . Отметим далее, что после Фурье-преобразования значений коэффициентов усиления в отводах на интервале приема данных получается блок-схема модели, которая очень удобна для представления реверберационного сигнала. Следовательно, целесообразно рассмотреть аО ц~-Ъи~~ Рис. 6.21. а — модель канала с размытием на ЛЗ с (2Я7 1.+1) отводами через 1/2Ят; б — спектры иа- 5 3' боров весовых коэффициентов для отводов ЛЗ, рассматриваемые как сечения функции рассеяния.

Рис. 6.22. Упрощенная блок-схема приемника акустических сигналов для малых значений отношения сигнал/шум и среды с размытием за счет реверберации. алгоритмы, с помощью которых при построении приемника можно было бы находить значения коэффициентов усиления в отводах. Прежде чем перейти к описанию методики использования модели на ЛЗ с отводами в некоторых приемниках, целесообразно сделать несколько замечаний. Если моделируемые канал или отражатель не создают доплеровского' размытия (или оно пренебрежимо мало), как это часто имеет место в гидролокации, то значения коэффициентов усиления в отводах остаются постоянными и с достаточной точностью представляют собой дискретные отсчеты импульсной характеристики капала.

Было предпринято несколько попыток измерить эту импульсную характеристику 166 — 68]. Кроме того, очевиден и еще один связанный с описанным способ представления модели канала, который основан на преобразовании Фурье сигналов и предполагает использование передаточной функции. Существует большое количество приемников, построенных на основе представления реверберационного сигнала с помощью ЛЗ с отводами. Так, на рис. 6.22 в качестве иллюстрации приведена блок-схема приемника для обнаружения протяженных целей и определения дальности и доплеровского смещения. При построении этого приемника использовались некоторые модельные допущения, поэтому его нельзя применять для обработки любых ревербера- 426 Глава 6 Обработка сигналов в гидролокации 427 ционных сигналов.

В блоке приемника, предназначенном для учета влияния окружающей среды, имеются два входа. На один из них поступают выходные результаты коррелятора-согласованного фильтра, соответствующие разным значениям доплеровского смещения, которые затем подаются на о'гводы ЛЗ. По второму входу вводятся оценки функций рассеяния, описывающих и цель, и шум реверберации.

Для получения этих оценок следует воспользоваться либо известными сведениями об окружающей среде, либо тем или иным алгоритмом адаптивного оценивания. Амплитуды выходных сигналов с отводов ЛЗ возводятся в квадрат и взвешиваются в соответствии с отношениями, зависящими от функций рассеяния цели и шума, а также от уровня внешнего фонового'шума. После взвешивания производится суммирование; полученный результат представляет собой сигнал на выходе обнаружителя, который может подаваться на индикатор или вводиться в устройство обработки последовательности импульсов. Эту же систему можно использовать и в качестве измерителя, если выходные значения находить, перебирая дальностно-доплеровские координаты цели (т.

е. изменяя в зависимости от ожидаемых параметров цели весовые коэффициенты для выходных сигналов ЛЗ с отводами). Главная цель, которая преследуется при введении в эти системы именно цифровой фильтрации, заключается в том, чтобы выходные сигналы корреляционного приемника обрабатывались совместно с информацией об окружающей среде; при этом система работает нормально. В результате требуется, чтобы система обработки была весьма универсальной, особенно если учесть, что характеристики и каналов, и целей могут изменяться.

Представляется, что такая универсальность может быть достигнута только с помощью цифровых устройств обработки. При моделировании обработки с учетом влияния окружающей среды возможны и некоторые другие способы описания каналов (например, основанные на использовании двухчастотных корреляционных функций). Выше была рассмотрена только одна модель, весьма удобная при выполнении обработки в цифровой форме, хотя каналам с размытием посвящено большое количество публикаций.

Отметим, что в одном отношении почти все модели каналов идентичны: при описании их случайной природы делаются попытки вводить случайные параметры или процессы, для определения которых используются корреляционные свойства излучаемых сигналов. Таким образом, именно возможность быстрого выполнения операции корреляции на этапе первичной обработки сигналов оказывается особенно важной. 6.3.6. Обработка последовательностей импульсов Во многих активных гидролокационных системах особенно важную роль играют мини-ЦВМ и микропроцессоры, хотя методика их испо'„'льзования в гидролокации не содержит ничего необычного. В большинстве случаев применяются ЦВМ с длиной слова в 1б или 24 двоичные единицы и объемом памяти 32К, причем программы пишутся либо в машинных кодах, либо на языках Фортран или Алгол.

Часто ЦВМ оснащаются дисковой памятью. Кроме того, мини-ЦВМ оказались весьма полезными и удобными для оператора, работающего с дисплеями в интерактивном режиме. В данном разделе будет описано несколько ситуаций, когда использование мини-ЦВМ для обработки последовательностей импульсов оказывается особенно удачным. Часто при обнаружении цели или определении дальности до нее и доплеровского смещения импульсы приходится обрабатывать совместно, чтобы увеличить отношение сигнал/шум.

Для этого можно использовать различные алгоритмы совместной обработки импульсов, в том числе суммирование амплитуд или их квадратов, а также низкочастотная фильтрация последовательности, соответствующей некоторому дальностно-доплеровскому элементу разрешения. Важной особенностью обработки этого типа является накопление текущих статистических характеристик, таких, как математическое ожидание, дисперсия и, возможно, гистограмма распределения выходноГо сигнала детектора.

Характеристики

Список файлов книги