Оппенгейм - Применение цифровой обработки сигналов (1044221), страница 93
Текст из файла (страница 93)
а — акусзическая навигационная система Океанографического института в Вудс Холле (импульсные приемопередатчики и доплеровские маяки установлены на одних и тех же якорях); б — обработка сигналов в акустической навигационной системе Океанографического института в Вудс-Холле (взято из [б9]). всенаправленное колебание. Это колебание принимается приемопередатчиками, в каждом из которых сигнал преобразуется в сигнал с новой частотой и ретранслируется обратно на платформу. После этого каждый из преобразованных по частоте сигналов под- Гидрогроны на ойиивке суВлг Квадратурные выкодньув сигналы ,маяка Алгоритм определения местоположения Накождгние линии положения Ъраметр состояния сопроеожйни оконца вергается обработке с помощью кдрреляционного приемника, цель которой — получить оценки времени распространения колебаний от платформы до каждого из приемопередатчиков и обратно.
Этн данные используются для построения линий положения, а по существу — поверхностей положения, поскольку система работает в трехмерном пространстве. На основе полученной информации определяется истинное положение платформы относительно каждого приемопередатчика. Как и следовало ожидать, точность этой системы сильно зависит от того, с какой погрешностью определяется время распространения в прямом и обратном направлениях; поэтому необходимо обеспечить точное оценивание дальности и доплеровского смещения. Для получения этих данных используется корреляционный приемник (см.
рис. 6.24, б). В некоторых системах описываемого типа достигнутая точность составляла примерно -2 — 3 м, когда взаимное положение приемопередатчиков было известно с высокой точностью. В режиме доплеровского сопровождения от каждого приемопередатчика в направлении платформы излучается монохроматический сигнал. Каждый из сигналов в системе обработки на платформе демодулируется и поступает на схему цифровой фазовой автоподстройки, где наблюдаемые значения доплеровского смещения интегрируются, что дает оценку разности фаз между сигналами платформы и приемопередатчика.
Эти разности фаз далее используются для построения поверхностей положения, по которым и находится местоположение платформы. В такой системе необходимо устанавливать начальные значения разностей фаз, поэтому Она используется совместно с импульсной системой. Кроме того, система может работать только при достаточно больших отношениях сигнал/шум, чтобы не было перескока фазы в схемах фазовой авто- подстройки, так как в противном случае будут наблюдаться смещения линий положения. Согласно публикации [б9], такие системы обеспечивают точность порядка нескольких сантиметров. Данная система в значительной степени ориентирована на применение именно цифровой обработки сигналов.
При проведении подводных исследований используются навигационные алгоритмы, реализуемые в реальном времени с помощью мини-ЦВМ, размещенной на погружаемом судне. В импульсном режиме для получения дальностных оценок используется цифровая техника; в доплеровском режиме важную роль при определении оценок разностей фаз, возникающих за счет распространения сигналов по разным трассам, играет цифровая система фазовой автоподстройки. При работе с этой системой необходимо особенно тщательно учитывать влияние окружающей среды, поскольку помимо прямой трассы распространения возможны также трассы с отражением от водной поверхности или от дна. Все эти факторы должны учитываться в алгоритмах оценивания дальности и доплеровского смещения.
28 — 359 435 Обработка сигналов в гидролокации 434 Глава 6 Системы подводной связи могут быть либо очень простыми, либо чрезвычайно сложными в зависимости от предъявляемых к ним требований и особенностей окружающей среды. При малых дальностях и вертикальных трассах распространения подводная связь может легко обеспечить передачу речи и данных с низкой скоростью; так, например, скорость передачи 2,5 кбит/с можно получить при мощности передатчика всего в несколько ватт. Для построения такой системы достаточно иметь усилитель-преобразователь того или иного типа, с помощью которого энергия речевых сигналов преобразуется в воде в акустическую энергию.
Модуляция несущей частоты необязательна, так как в полосе частот, соответствующей голосу человека, звук распространяется очень хорошо; однако она может быть использована для формирования направленного излучения, при котором за счет более эффективной передачи появляется возможность работать с небольшими преобразователями. Труднее всего обеспечить подводную связь при высоких скоростях передачи данных на большие расстояния. Реверберация, многолучевое распространение, а также сильное ослабление сигналов на высоких частотах в воде приводят к ограничению полосы пропускания канала связи и размытию сигналов, зависящему от расстояния.
Следствием этого является ограничение скорости кодирования при передаче речи или данных в цифровых системах связи на большие расстояния. В наиболее эффективных цифровых системах связи обычно используются модели канала с размытием сигнала, и реверберационное размытие сигнала, зависящее от дальности, определенным образом учитывается при выборе как сигналов, так и структуры приемника.
Кроме того, может учитываться и доплеровское размытие сигнала, но для обычно используемых длительностей импульсов оно намного менее существенно, чем размытие за счет реверберации. На рис. б.25 иллюстрируются некоторые наиболее важные особенности системы подводной связи, основанной на манипуляции сдвинутых по частоте сигналов. (Во многих ситуациях, когда канал обеспечивает кратковременную фазовую стабильность, с успехом может быть применена дифференциальная фазовая манипуляция.) На рис. б.25 иллюстрируются некоторые моменты по обработке сигналов, которые необходимо учитывать на этапе разработки систем подводной связи. При передаче часто бывает целесообразно применять перекодировку последовательности двоичных единиц сообщения в набор передаваемых сигналов. Это делается для того, чтобы ввести в передаваемые сигналы некоторую избыточность, оптимизировать их различимость и обеспечить, если требуется, нужную степень секретности.
Для большинства используемых каналов подводной связи функция рассеяния имеет малое доплеровское размытие, но боль.шое размытие, определяемое расстоянием распространения гидро- Доплеуовмое бр ™ 'л Π— У. ® Узкополосная грееепжюптпя рыътепанк ~пп саи~7ппте) Рнс. 6.25. Структура системы связи с частотной манипуляцией. акустического сигнала. Поэтому целесообразно строить набор сигналов на основе узкополосных элементов.
Кроме того, при сильном размытии сигналов приходится вводить сдвиги по частоте, чтобы избавиться от присутствующей в канале реверберационной энергии. Именно сочетание функции рассеяния и набора сигналов, определяющее различимость в канале, следует оптимизировать для того, чтобы получить систему с наилучшими характеристиками. Оптимальная различимость является функцией отношения скорости передачи сигналов и пропускной способности канала. Таким образом, часто целесообразно использовать ту или иную методику адаптивного оценивания функции рассеяния канала.
При приеме первичная обработка выполняется с помощью набора корреляционных приемников (или согласованных фильтров), назначение которых — получить оценки энергии, поступившей в каждый из разрешаемых дальностно-доплеровских элементов. Выходные отсчеты после разрешения поступают на входы набора линий задержки с отводами.
Выходные сигналы этих линий задержки взвешиваются в соответствии с тем, как разрешается по дальностно-доплеровским элементам функция рассеяния; таким образом, опять ока- 28' Глава 6 Обработка сигналов в гидролокации Поеерхноппь морг Поверхность лторя Луюруая ~ ~уВ ,чнтеяная реше ив гиуроа7онов яа якорях I иуротроны рауи уеп7р абра решетка зывается целесообразным обеспечить некоторое адаптивное измерение этой функции, с тем чтобы получаемое на выходе приемника распределение значений принятой энергии было оптимальным.
Если характеристики многолучевого канала описаны недостаточно точно, используемые дальностно-доплеровские элементы разрешения будут неверны, что приведет, очевидно, к ухудшению характеристик системы. На конечном этапе обработки выходные отсчеты разрешенных трасс взвешиваются, и выполняется операция возведения в квадрат, что дает статистику, используемую для принятия решения о том, какое именно сообщение было передано; это означает, что сформированные одним и тем же способом выходные сигналы, соответствующие всем возможным сообщениям, сравниваются между собой для принятия оптимального решения (с точки зрения минимума вероятности ошибки) . На всех этапах обработки сигналов в такой системе широко используются цифровые методы, без которых реализация этой системы, по-видимому, была бы невозможна.
Это относится ко всей системе, начиная с согласованной фильтрации, обеспечивающей выполнение первичной обработки, и кончая ело'кной логикой кодирования и декодирования, для которых принципиально необходима универсальность цифровых устройств. На этом закончим рассмотрение примеров построения систем активной гидролокации.
Выше были описаны структуры нескольких систем, разработанных в последнее время. Наибольшее внимание уделено принципам их действия, а не особенностям построения. Как и во многих других областях техники, возможности цифровой обработки в гидролокации использованы еще далеко не полностью. Однако сочетание универсальности, которая необходима для учета влияния водной среды, с такими преимуществами цифровой техники, как быстродействие, малые вес и потребление, а также небольшая стоимость, является залогом того, что в будущем подавляющее большинство систем будет строиться на основе цифровой техники.
б.4. Пассивные гидролокационные системы и цифровая обработка сигналов В пассивных гндролокационных системах обязательно приходится иметь дело с оцениванием как временной, так и пространственной структур наблюдаемого поля сигналов, используя при этом в основном спектральный анализ и (или) анализ волновой векторной функции в той или иной форме. Наиболее важное применение пассивная гидролокация находит в военных системах наблюдения, предназначенных для обнаружения и сопровождения подводных лодок, поэтому подробное рассмотрение этих систем затруднительно ввиду секретного характера материала. Известны, правда, и другие применения пассивной гидролокации, например для изуче- ния подводных землетрясений или при построении некоторых навигационных систем.
Для приема данных в пассивной гидролокации используются самые разнообразные системы, преобразующие гидроакустические сигналы в электрические и обратно. Тип и структура этих систем определяют, какой должна быть обработка сигналов и каковы ее возможности. На рис. б.2б приведены некоторые системы, нашедшие применение в пассивной гидролокации. Вообще известны два класса преобразующих систем: одиночные чувствительные к ультразвуку элементы и антенные решетки. Примерами одиночных чувствительных элементов служат ненаправленные или направленные гидрофоны, устанавливаемые на судне, а также акустические буи, разбрасываемые с воздуха или с корабля.
К антенным Решеткам относятся решетки из акустических преобразователей, смонтированные на корабле, установленные на якорях или буксируемые. Одиночные чувствительные элементы позволяют выполнить временной анализ внешнего волнового поля, поэтому с ними используются только методы спектрального анализа. Антенные решетки дают возможность провести как пространственный, так и временной анализ, поэтому в этом случае применяется как спектральный анализ, так и анализ волновой векторной функции.
Ча- Рис. 6.26. Примеры некоторых пассивных гидролокационных систем. и — антенные решетки иа гидрофонов, установленных на судне; б — антенные решетки, установленные на якорях; в — системы с акустическими буями; г — буксируемая антенная решетка. 438 Глава 6 Обработка сигналов в гидролокации 439 сто, однако, эти две задачи удается разделить, выполняя некоторую обработку сигналов антенной решетки (или анализ волновой векторной функции) в узкой полосе частот. Вопросы, рассматриваемые в данном разделе, указаны в табл. б.З. Горизонтальное направление соответствует последовательности изложения материала. Прежде всего рассматриваются основы теории, а также модели, используемые для представления Таблица 6.8 Вопросы, рассматриваемые в разделе, посвященном цифровой обработке сигналов в пассивных гидролокационных системах Пространственный анализ Временной анализ Волновые векторные представления, обработка сигналов антенной решетки, пространственная фильтрация и формирование диаграмм направленности Теория и модели Спектральные представления, свойства спектров сигналов пассивного гидролокатора Примеры методов обработки и их реализа- ции Формирование диаграмм направленности — фиксированное, предварительное, адаптивное и мультипликативное; оценка волновой векторной функции — обычная н адаптивная Методы спектрального анализа — косвенные (Блэкмена — Тычки), прямые (БПФ) и адап- тивные Примеры применений Анализ микроземлетрясений методами пассивной гидролокации Пассивные гндролокато- ры сигналов и их обработки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
